Расчет расхода и объема талого стока с урбанизированных территорий

Аннотация

Расходы и суточные объемы талых вод с урбанизированных территорий в отдельных случаях могут превышать расчетные значения расхода дождевых вод с рассматриваемого бассейна стока. В технической литературе приводятся данные лишь о максимальных интенсивностях или суточных слоях снеготаяния малой обеспеченности (менее 50%), что соответствует периоду однократного превышения более 1,5 лет. В то же время дождевые сети наиболее часто рассчитываются на дожди с периодом однократного превышения интенсивности 0,33–1 год. На основе данных по кривым распределения обеспеченности, наиболее характерным для снеготаяния, получены значения суточных слоев талого стока при малых периодах превышения интенсивности.

Ключевые слова

дождевые и талые воды , интенсивность снеготаяния , обеспеченность , гидрограф стока , расход и объем талых вод

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

При проектировании систем отведения и очистки поверностного стока в ряде случаев определяющим может оказаться расход не дождевого, а талого стока с территорий населенных мест и площадок промышленных предприятий. Средние максимальные значения интенсивности снеготаяния i_т в Европейской части России приведены в виде карт территорий с изолиниями [1; 2]. С некоторым приближением можно принять следующие значения i_т, мм/ч: для Северо-западной части России – 3,8–4,2 (в среднем 4); для Центральной – 4,2–4,8 (в среднем 4,5); для южной – 3–4 (в среднем 3,5), причем увеличение значений интенсивности отмечается с запада на восток.

Зная интенсивность снеготаяния, площадь водосбора, коэффициент стока и другие местные условия, можно определить расход талых вод. Для малых водосборов (площадью до 10 км²), к которым наиболее часто относятся бассейны водоотведения населенных мест и территорий промышленных предприятий, за расчетные расходы и объемы талого стока целесообразно принимать наибольшие из дневных расходов (объемов) талых вод за 10 дневных часов (с 10 утра до 8 вечера) [1–3]. Наибольшая интенсивность снеготаяния обычно наступает в 14 ч. В работах [1; 3] приведены значения объемов талых вод с единицы площади для четырех районов территории РФ при обеспеченности 50% и менее, что соответствует повторяемости более 1,5 лет. Обеспеченность – это вероятность появления случайной величины, равной или больше заданной величины. Соотношение между обеспеченностью и повторяемостью подчиняется закону распределения независимых событий Пуассона [1; 4].

Основная часть территории РФ относится к районам 1 и 2. Южная часть района 3 (северная часть района 2) проходит приблизительно по Северному полярному кругу. Район 4 – сальские и астраханские степи. В Приложении 1 работы [4] приведена карта РФ с границами этих четырех районов. В соответствии со СНиП [5], при проектировании дождевой канализации период однократного превышения расчетной интенсивности дождей принимается не менее 0,33 года (Р ≥ 0,33 года), наиболее часто – в интервале 0,33–1 год, что соответствует обеспеченности более 63%. Для рационального проектирования систем водоотведения поверхностного стока целесообразно иметь данные по слою талого стока (или интенсивности снеготаяния) повторяемостью менее одного года.

Имея данные по слоям талого стока 50-процентной обеспеченности и менее, можно рассчитать их значения при другой (большей) обеспеченности h_т._Р, мм:

где h_т._Р– слой осадков заданной повторяемости, мм; _h^_ – среднее значение суточного слоя; C_v – коэффициент вариации; Ф – нормированные отклонения от среднего значения ординат кривой распределения обеспеченности.

Для расчетных слоев талого стока (за 10 дневных часов суток) наиболее близка биноминальная кривая распределения обеспеченности при коэффициентах ассиметрии C_s = 2C_v или логарифмически нормальная кривая обеспеченности при C_s > 3C_v. Значения коэффициентов вариации C_v для талых вод в виде карты изолиний для территории РФ приведены в [1]. Для центральных районов РФ при расчете систем водоотведения коэффициенты C_v можно принимать равными 0,4–0,5. При этом, как правило, их значения уменьшаются по направлению к северу (до 0,25–0,3) и увеличиваются к югу.

При отсутствии данных по фактической интенсивности снеготаяния для расчета расходов и объемов талого стока значения суточных (за 10 дневных часов) слоев талых вод различной повторяемостью Р можно принимать по приведенной ниже таблице [3].

На границах районов (до 20 км) целесообразно принимать средние значения h_т._Р. Например, для Москвы, расположенной на границе районов 1 и 2, при Р = 0,33 года можно принять h_т._Р = 9 мм.

Приведенные в таблице значения h_т._Р были получены при условии наклона поверхности бассейна водостока к югу. При наклоне поверхности к северу для незастроенных территорий и для городских условий (наличие теневых сторон) значения h_т._Р можно принимать с коэффициентом 0,8. Суточный объем талых вод W_т._сут, м³, поступивших в систему водоотведения, составит:

где а – коэффициент, учитывающий неравномерность снеготаяния (можно принимать а= 0,8); F – площадь бассейна стока, га; Ψ_т – коэффициент стока талых вод.

В работе [1] показано, что мерзлые грунты имеют поры, свободные от замерзшей воды, и могут впитывать часть талой воды. Кроме того, часть воды будет задерживаться на неровностях поверхности стока. Поэтому коэффициент Ψ_т рекомендуется принимать равным 05–0,8. Для городских территорий, где площадь водонепроницаемых поверхностей (кровли, асфальто-бетонные покрытия) составляет около 30%, можно рекомендовать Ψ_т ≈ 0,7 [6].

Часовые и секундные расчетные расходы можно определить на основе гидрографа стока талых вод. В работе [3] для талых вод приводится треугольный гидрограф образования и притока талых вод с бассейна водостока для 10 дневных часов снеготаяния. На основе этого гидрографа в работах [1; 2; 4] приводится зависимость для определения максимального (расчетного) расхода талых вод Q_т, л/с, которая с учетом неравномерности снеготаяния приводится к виду:

где Т – продолжительность стекания воды от геометрического центра водосбора до расчетного сечения, ч; K_y – коэффициент, учитывающий уборку снега.

Приближенно коэффициент K_y можно принять равным:

K_y = 1 – F_у/F, (4)

где F_у – площадь территории, очищаемой от снега (обычно от 5 до 15%);F – площадь общей территории.

Расчеты по формуле (3) дают определенный запас (увеличение) величины расхода, что не всегда оправданно. Поэтому данная зависимость может быть уточнена на основе гидрографов, представленных на рисунке.

Наибольшая интенсивность снеготаяния отмечается в 14 часов, поэтому гидрограф снеготаяния имеет вид неравнобедренного треугольника. Площадь гидрографа снеготаяния определяет объем талой воды на бассейне водоотведения (водосбора), его величину можно найти по формуле (2). Исходя из данного гидрографа снеготаяния, получаем наибольшую интенсивность снеготаяния (или слой талой воды) в 14 часов. Максимальный слой талой воды будет в 2 раза больше среднего за 10 часов снеготаяния, а общий объем талой воды, м³, составит (при Q_ср, л/с):

W_т^сн = 36Q_ср, (5)

или

W_т^сн = 18Q_max, (6)

где W_т^сн = 10h_т._РF.

Максимальный расход талой воды, л/с, при заданном h_т._Р (требуемой обеспеченности) составит:

Q_max = 0,055W_т^сн = 0,55h_т_._РF. (7)

Из равенства объемов снеготаяния и стока по гидрографам 1 и 2 (рисунок) без учета поправочных коэффициентов (стока, неравномерности снеготаяния, уборки снега) получим формулу, аналогичную зависимости (3):

где Т₂ – время опорожнения водосточной сети (время стекания) после прекращения снеготаяния.

Если в формулу (8) ввести поправочные коэффициенты, то она будет отличаться от формулы (3) только значениями Т₂ вместо Т. Время опорожнения водосточной сетиобычно в 1,5–2,5 раза (за счет уменьшения степени заполнения сети и снижения скорости течения) больше, чем время формирования стока в расчетном сечении (продолжительность протока до расчетного сечения). При среднем значении Т₂ = 2Т и Т = 1 ч расчетный расход Q_т при введении Т₂ в формулу (3) будет меньше на 10%. Это обстоятельство следует учитывать при назначении Т в формуле (3).

Максимальный расчетный расход талых вод можно получить также исходя из максимальной интенсивности снеготаяния [1]:

где i_т – интенсивность снеготаяния, мм/ч.

Однако в технической литературе приводятся только максимальные средние значения интенсивности снеготаяния, что будет соответствовать 50-процентной обеспеченности (Р ≈ 1,5 года). Поэтому сравним значения расчетного расхода талых вод по формулам (8) и (9), например, для условий Санкт-Петербурга.

Результаты расчетов достаточно хорошо совпадают, однако необходимо проводить дальнейшее накапливание данных по интенсивности снеготаяния с учетом местных условий и для различной обеспеченности.

Список цитируемой литературы

Алексеев М. И., Курганов А. М. Организация отведения поверхностного (дождевого и талого) стока с урбанизированных территорий. – М.: Изд-во АСВ; СПб: СПбГАСУ, 2000.
Молоков М. В., Шифрин В. Н. Очистка поверхностного стока с территорий городов и промышленных площадок. – М.: Стройиздат, 1977.
Лебедев В. В. Гидрология и гидрометрия в задачах. – Л.: Гидрометеоиздат, 1961.
Рекомендации по расчету систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока с селитебных территорий, площадок предприятий и определению условий выпуска его в водные объекты. – М., ФГУП «НИИ ВОДГЕО», 2006.
СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения. – М., ЦИТП Госстроя СССР, 1986.
Методика расчета объемов организованного и неорганизованного дождевого, талого и дренажного стока в системы коммунальной канализации: ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга». – СПб: Экология и право, 2000.