Сравнение методов расчета поверхностного стока селитебных территорий

По последним данным, количество затоплений и подтоплений территорий с каждым годом увеличивается. События 2013 г., когда в России произошло масштабное затопление территорий вокруг реки Амур, и 2014 г., когда произошло масштабное подтопление территорий в Алтайском крае и прилегающих территориях, а также сильное наводнение в Болгарии в районе г. Варна, подтверждают насущную необходимость разработки превентивных мероприятий по исключению проявления таких негативных природных явлений или уменьшению масштаба нанесения ущерба в виде затопления селитебных территорий. В качестве дополнительного примера можно указать на затопление больших территорий в Ставропольском крае в 2017 г., что привело к большому материальному ущербу.

Существующие методы расчета поверхностного стока не в полной мере учитывают основные условия образования такого вида водных потоков.

Предлагаемый нами подход заключается в анализе существующих селитебных территорий с учетом рельефа и сооружений отвода поверхностного стока в случае выпадения сильных ливней и таяния снежного покрова.

Для снижения риска подтоплений и затоплений территорий новое строительство необходимо вести только на возвышенных местах, причем с учетом необходимых расчетов для случаев выпадения как минимум месячной нормы осадков в день. Кроме того, необходимо проводить сравнительные оценки по количеству образования поверхностного стока при выпадении сильных ливней и таянии снежного покрова. После сравнения следует использовать для расчета максимальное количество образующегося стока при выпадении ливней или таянии снежного покрова.

В случае отведения поверхностного стока с селитебных территорий необходимо вести расчет по максимальному количеству поверхностного стока, образующегося при выпадении сильных ливней или таянии снежного покрова.

Известная методика определения отвода поверхностного стока состоит в следующей последовательности.

Годовой объем поверхностных сточных вод, образующихся на селитебных территориях и площадках предприятий, QT, определяется по формуле

где Qv Qv QM среднегодовой объем дождевых, талых и поливомоечных вод, стекающих с селитебных территорий и промышленных площадок, м3.

где F — общая площадь стока, га; hT количество осадков за холодный период года, мм; j/T — общий коэффициент стока талых вод с селитебных территорий и площадок предприятий с учетом уборки снега и потерь воды за счет частичного впитывания водопроницаемыми поверхностями в период оттепелей, который можно принимать в пределах 0,5-0,7.

Общий годовой объем поливомоечных вод, стекающих с площади стока, определяется по формуле

где т — удельный расход воды на мойку дорожных покрытий, л/м2 (принимается равным 1,2—1,5 л/м2 на одну мойку); к — среднее количество моек в году (для средней полосы России составляет около 150); jРм — площадь твердых покрытий, подвергающихся мойке, га; |/м — коэффициент стока для поливомоечных вод (принимается равным 0,5).

где F— общая площадь стока, га; /гд — количество осадков за теплый период года, мм; |/д — общий коэффициент стока дождевых вод с селитебных территорий и площадок предприятий.

Также определяется расход дождевых вод в коллекторах дождевой канализации, отводящих сточные воды с территорий:

где |/mid — средний постоянный коэффициент стока; А, т — параметры, характеризующие интенсивность и продолжительность дождя для конкретной местности; F — расчетная площадь стока (водосбора); tr расчетная продолжительность дождя, равная продолжительности протекания поверхностных вод по поверхности и трубам до расчетного участка.

где q20 интенсивность дождя для данной местности продолжительностью 20 мин при Р= 1; п — показатель степени; тг — среднее количество дождей за год; Р — период однократного превышения расчетной интенсивности дождя; у — показатель степени.

Формулы для определения Qa и Qr имеют ряд недостатков: учитывают только среднюю интенсивность выпадения дождей, усредняют коэффициент стока и не учитывают строения почвогрунтов и степени их залесенности.

Учитывая эти недостатки, предлагается определять расход дождевых вод различной вероятности превышения с учетом максимальной интенсивности выпадения осадков и структуры почвогрунтов Qap, м3/с, по формуле

где ар расчетная интенсивность осадков, соответствующая требуемой вероятности превышения (ВП) для расхода, определяемая по табл. П-2.1и П-2.2 (приложение 2); ар — расчетный коэффициент склонового стока, определяемый по таблицам П-2.3—П-2.6 (приложение 2); F — водосборная площадь, км2; ф — коэффициент редукции максимального дождевого стока в зависимости от размеров водосборной площади, определяемый по таблице П-2.7 (приложение 2); Kj — коэффициент учета влияния крутизны водосборного бассейна, определяемый по таблице П-2.8 (приложение 2); Кф коэффициент, учитывающий формулу водосборного бассейна и определяемый по (14) и табл. П-2.9 (приложение 2).

Расчетная интенсивность осадков различной вероятности превышения определяется по формуле

где ачж максимальная часовая интенсивность дождя требуемой ВП (определяется по табл. П-2.1 (приложение 2)) для заданного ливневого района (рис. 12.2), мм/мин. Для водосборов, площади которых находятся в нескольких ливневых районах, расчетная часовая интенсивность дождя определяется как средневзвешенная по площади; Kt коэффициент редукции часовой интенсивности осадков в зависимости от времени формирования максимальных расходов на малых водосборах (определяется по табл. П-2.2 (приложение 2)).

Расчетный коэффициент склонового стока определяется по формуле

где а0 — коэффициент склонового стока при полном насыщении почв водой, принимаемый по табл. П-2.3 (приложение 2); 5е — коэффициент, учитывающий естественную аккумуляцию дождевого стока на поверхности водосборов в зависимости от различной зале- сенности и почвогрунтов.

Величина коэффициента 8е на водосборах, площадь которых характеризуется сплошной залесенностью или однородными грунтами по всему бассейну, определяется по формуле

где уд — коэффициент, учитывающий различную проницаемость почвогрунтов на склонах водосборов, в расчетных условиях и определяемый по табл. П-2.4 (приложение 2); (3 — коэффициент, учитывающий состояние почвогрунтов к началу формирования расчетного паводка, определяемый по табл. П-2.5 (приложение 2); П — поправочный коэффициент на редукцию проницаемости почвогрунтов с увеличением площади водосборов (определяется по табл. П-2.6 (приложение 2)).

Карта-схема ливневых районов России [4]

Рис. 12.2. Карта-схема ливневых районов России [4]

При частичной залесенности и резких различиях почвогрунтов на водосборах для коэффициента де применяется формула

где ут, удг — коэффициенты, учитывающие проницаемость грунтов на отдельных частях водосбора, различных по степени залесенности и почвогрунтам (определяются по табл. П-2.4 (приложение 2));/л, /г — коэффициенты, характеризующие величины отдельных частей водосбора, различных по степени залесенности и почвогрунтам и определяемые соответственно по формулам

где Fn, Fr площади отдельных частей водосбора, занятые различными почвогрунтами и растительностью (рис. 12.3).

Для больших и средних водотоков, расположенных в зоне избыточного увлажнения, а также в лесостепной и степной частях Европейской территории России рекомендуется формула Д.Л. Соколовского:

где уд — коэффициент, который определяется по табл. П-2.4 (приложение 2 площадь проницаемых грунтов в процентах от всей площади бассейна.

Схема, поясняющая неоднородные условия потерь стока на склонах водосборов

Рис. 12.3. Схема, поясняющая неоднородные условия потерь стока на склонах водосборов

Рекомендации по определению расчетного уклона главного лога для установления коэффициента крутизны водосборного бассейна Kj по таблице П-2.8 (приложение 2):

  • 1) в равнинной местности расчетный уклон главного лога на малых водосборах (J) может быть принят равным уклону лога у сооружения;
  • 2) на очень малых водосборах — площадью до 1,0 км2, а также на односкатных водосборах при неизменном, однозначном наклоне поверхности стекания (рис. 12.4, а) в качестве расчетного уклона главного лога может быть принят уклон между водораздельной точкой по главному логу и пониженной точкой живого сечения в створе перехода;
  • 3) при резкой смене уклонов поверхности стекания на различных частях склонов по всей длине односкатных и малых водосборов (рис. 12.4, б), а также на средних водосборах расчетный уклон главного русла определяется как средневзвешенный на расстоянии от верхней водораздельной точки до створа перехода;
  • 4) на больших и средних водотоках при наличии хорошо выраженного русла в качестве расчетного уклона главного лога принимается уклон реки в основном русле, характеризующий средний уклон на большем его протяжении вверх от створа перехода.
Схема к определению расчетного уклона главного русла

Рис. 12.4. Схема к определению расчетного уклона главного русла

Коэффициент Кф, учитывающий форму водосборного бассейна, определяется по формуле

где ф — коэффициент, учитывающий форму водосборов и определяемый по графикам (рис. 12.5); с — коэффициент, учитывающий уменьшение влияния формы водосбора на величину максимального расчетного расхода и определяемый по табл. П-2.9 (приложение 2).

Длина главного лога на малых водосборах определяется от наивысшей водораздельной точки, расположенной по направлению главного лога.

При расположении территории в нескольких ливневых районах или в непосредственной близости от их границы расчетные ливневые характеристики на участках, примыкающих к границе того или иного района, определяются по формуле График для определения параметра ф

Рис. 12.5. График для определения параметра ф: а — определение параметра ф при F до 10 км2; 6 — определение параметра ф при

F до 100 км2

где й'ас — расчетная интенсивность часового дождя для переходного участка, устанавливаемого длиной 25 км в каждую сторону от границы ливневого района по направлению дороги, мм/мин; aN, aN+]часовые интенсивности дождя, определенные по таблице П-2.1 и рис. 12.2 для двух соседних районов.

Пример.

Рассмотрим производственную площадку, расположенную в Московской области:

  • • площадь кровли зданий и сооружений — 0,37 га;
  • • асфальтовые покрытия — 0,34 га;
  • • открытые грунтовые площадки — 0,25 га;
  • • зеленые насаждения и газоны — 0,3 га, из которых 0,15 га — глиняные почвогрунты; 0,15 га — супесчаные и песчаные грунты при естественной влажности, все задернованы.

Расход дождевых вод в коллекторах дождевой канализации, отводящих сточные воды с территорий, следует определять по формуле

По предлагаемой методике расчет расходов от дождевых вод с учетом их максимальной интенсивности, различной структуры по- чвогрунтов и различной вероятности превышения Q , м3/с, должен производиться по формуле

По существующей методике интенсивность дождя продолжительностью 20 мин при Р= 1 принимается по [4]. Для Московской области:

По предлагаемой методике интенсивность осадков определяется по формуле (8) при ачас = 0,46 мм/мин и Kt = 2,12 для выбранного района.

В результате проведенного расчета видно отличие значений интенсивностей осадков в 2 раза. Это связано с использованием в предлагаемой методике максимальной часовой интенсивности дождя и коэффициента редукции К, в отличие от существующей методики, где применяются усредненные значения интенсивности осадков.

Коэффициент стока i|/mid по существующей методике рассчитывается как средневзвешенная величина для различных видов поверхности

По предлагаемой методике коэффициент склонового стока для данного случая а0 = 0,7. При этом, согласно предлагаемой методике, для задернованных глиняных почвогрунтов удг1 = 0,04, для задернованных супесчаных и песчаных грунтов при естественной влажности уДг2 =0,15; Р = 1,1; для Московской области П = 1,0.

При этом

Тогда получим ар = 0,7 • 0,8955 = 0,62.

Из расчета видно, что коэффициенты стока при различных методах расчета отличаются в 1,5 раза. Это связано с тем, что существующая методика не учитывает состав почвогрунтов и их залесен- ность. Предлагаемая методика устраняет эти недостатки с помощью специальных коэффициентов, учитывающих естественную аккумуляцию дождевого стока на поверхности водосборов в зависимости от различной залесенности и почвогрунтов.

Таким образом, по основным параметрам, а именно по расчетной интенсивности осадков (<зр) и коэффициенту склонового стока ар, согласно новому метода расчета значения указанных параметров примерно в 2 и 1,5 раза выше аналогичных величин, рассчитанных на основании известного метода.

Полученные данные свидетельствуют о том, что при проектировании системы ливневой канализации на основе результатов расчета по существующей методике при выпадении ливневых осадков в объеме месячной нормы и более система ливневой канализации не справится с таким расходом ливневых сточных вод, в результате чего произойдут ее переполнение и затопление прилегающих территорий.

Приведенные данные указывают на необходимость введения этих положений в нормативные документы, касающиеся образования и отведения поверхностного стока.

Контрольные вопросы и задания

  • 1. Укажите причины подтопления и затопления селитебных территорий.
  • 2. Каковы основы методов расчета объема поверхностных сточных вод?
  • 3. Назовите причины изменения условий образования поверхностного стока.
  • 4. Охарактеризуйте недостатки современных методов расчета объема поверхностных сточных вод.
  • 5. Перечислите современные подходы для определения уточненного объема поверхностных сточных вод.
  • 6. Приведите сравнительные данные по расчету существующих и новых методов расчета объема поверхностных сточных вод.
  • 7. Каковы рекомендуемые мероприятия по улучшению водоотведения поверхностного стока?
  • 8. Какие положения необходимо внести в нормативные документы для уточнения расчета объема поверхностных сточных вод?

Темы рефератов

  • 1. Существующие методы расчета объема поверхностного стока.
  • 2. Проблемы подтопления и затопления селитебных территорий. Причины и пути решения.
  • 3. Влияние глобального потепления на частоту выпадения осадков и увеличение объема поверхностного стока.
  • 4. Современные подходы для определения уточненного объема поверхностных сточных вод. Примеры расчетов.
  • 5. Сравнительные данные по существующим и новым методам расчета объема поверхностных сточных вод.
  • 6. Разработка новых мероприятий по улучшению водоотведения поверхностного стока.
  • 7. Необходимость разработки новых нормативных документов для уточнения расчета объема поверхностных сточных вод.
  • 8. Космическая съемка — метод превентивных мероприятий для управления отведением поверхностного стока.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >