Проблемы реконструкции городских обводнительно-водоотводящих систем
УДК 626.3, 626.80, 628.2
Реконструкция городских обводнительно-водоотводящих систем особенно актуальна в связи с ухудшающимися условиями экологической безопасности городов. Работа посвящена обоснованию взаимодействия инженерных и природных водоотводящих систем на территории городов и необходимости оптимизации их параметров при проведении инженерных мероприятий по реконструкции и модернизации речной системы, которая заключается в основном в дноуглублении и переформировании русел рек; реконструкции существующих и создании новых русловых бьефов и пойменных прудов; строительстве специфических подпорных гидросооружений.
Ключевые слова: водный объект, обводнительно-водоотводящая система, поверхностный сток, регулирование русла, паводковый расход, водозащитные дамбы, водоочищающие устройства, биопруды.
Несовершенство водоотводящих систем в городах и недостаточно эффективная работа элементов естественной водоотводящей сети - гидрографической сети малых рек и ручьев на их территории - одна из основных причин катастрофических последствий наводнений, количество которых резко возросло в последние десятилетия.
Существующие на территории городских поселений водные системы, включающие водотоки и водоемы, выполняют целый комплекс градоформирующих, рекреационных, экологических, санитарных и прочих функций. В качестве основных функций водной системы города можно определить функции обводнения городских территорий и водоотведения поверхностных и дренажных вод. В качестве обводнительной система формирует благоприятную среду проживания человека в городе, создает рекреационные зоны, поддерживая зеленые насаждения и постоянные городские экологические системы. В качестве водоотводящей она предотвращает наводнения и подтопления, которые могут делать невозможным проживание человека в городе. Поэтому обводнительно-водоотводящая система является системой жизнеобеспечения города.
Обводнительно-водоотводящие системы городов возникли как следствие увеличения их масштабов, а также в связи с ростом загрязнений, отказом от общесплавной канализации и разделением ее на хозяйственно-бытовую и дождевую.
Существует представление о том, что обводнительно-водоотводящая система является элементом инженерной подготовки территорий. Однако это система больше, чем элемент инженерной подготовки, она является важнейшей, фундаментальной частью формирования городских поселений. Ее можно также назвать необходимым основным элементом городских мелиораций (улучшений) земель, на которых расположен город для создания оптимальных условий проживания населения.
В части создания оптимальной воздушно-влажностной среды эти системы похожи на мелиоративные осушительно-увлажнительные. По техническим приемам напоминают противопаводковые системы, а по факту загрязнения и очистки воды в пределах системы похожи на водопровод и хозяйственно-бытовую канализацию, радикально отличающуюся тем, что питаются атмосферным стоком, имеющим огромную неравномерность.
Обводнительно-водоотводящая система города может являться частью региональной обводнительной или обводнительно-судоходной системы.
Структура обводнительно-водоотводящей системы сильно зависит от климатических факторов (температуры, испарения и осадков), так как она участвует в процессе круговорота воды в природе. По этому признаку можно условно разделить области расположения городов на четыре зоны:
1. Нормальная зона умеренных температур, осадков и испарения. Например, Центральная и Восточная Европа.
2. Переувлажненная зона низких температур и малого испарения. Например, Северо-Восточная Европа, Западная Сибирь.
3. Засушливая зона высоких температур, сильного испарения и малых осадков. Например, Средняя Азия.
4. Экстремальная зона высоких температур, сильного испарения в сухой сезон и обильных осадков в сезон дождей. Например, Индия (южные штаты).
В различных зонах рассматриваемая обводнительно-водоотводящая система радикально трансформируется, сохраняя свойства двухстороннего регулирования влажности воздуха и воздушно-влажностного режима почвы в экологически приемлемых рамках.
Соответственно по зонам могут существовать четыре типа обводнительно-водоотводящих систем городов:
1. Для нормальной зоны.
Система состоит из трубчатой и речной частей. Трубчатая часть включает в себя дождевую канализацию и истоки рек, берущих начало на территории города и впадает в речную часть. Речная часть состоит из рек, протекающих по территории города. Как трубчатая, так и речная часть содержат водоочищающие фрагменты. Обводнительную часть системы представляют реки, текущие в естественных руслах и каскады прудов на них. В случае необходимости дополнительно устраивается система снегоудаления.
2. Для переувлажненной зоны.
Этот тип отличается от типа 1 наличием закрытой осушительной регулирующей сети, водоводы которой впадают в коллекторы дождевой канализации. В остальном назначение и проектные решения совпадают с применяемыми в системе типа 1, за исключением ряда конструктивных отличий. Систему типа 2 можно назвать также
«обводнительно-осушительной».
3. Для засушливой зоны.
В этом типе системы сеть дождевой канализации заменяется оросительной сетью, по границам которой и в местах возможных загрязнений располагается водосборно-сбросная сеть водоводов. Оросительная открытая или закрытая сеть с поливом по бороздам или дождеванием питается из магистральных оросительных каналов или заполненных оросительной водой городских водоемов, которые являются для города объектами обводнения.При наличии естественных водотоков (предгорные районы) устраивается каскад прудов. Если есть опасность засоления грунтов, предусматривается глубокий дренаж. Эта система может быть названа «оросительно-водоотводящей».
4. Для экстремальной зоны.
В этой зоне в городах задействованы кроме водоснабжения и канализации три вида водопользования: обводнение, орошение и сброс ливневых вод. Однако мала вероятность целесообразного объединения их в единую систему. Функция обводнения чаще всего реализуется использованием естественных водных объектов. Орошение часто носит локальный характер. Наиболее серьезные проблемы возникают с отводом ливневых вод, разливом рек и возникающими при этом наводнениями. Из-за больших расходов воды трубчатая сеть используется редко. Иногда принимаются нетрадиционные решения. Например, в Токио для регулирования высокого паводка устраивают подземные резервуары.
Для средней полосы наиболее характерным является первый тип обводнительно-водоотводящей системы, связанный в максимальной степени с экологическими проблемами антропогенного происхождения. Эти проблемы возникают в связи плохим качеством воды и радикальным нарушением режима рек из-за бурного развития мегаполисов и агломераций и концентрации населения.
Кроме основных двух функций - предотвращение затопления и очистка воды - обводнительно-водоотводящая система осуществляет поддержание уровня грунтовых вод в допустимых пределах. Это обстоятельство подтверждается натурными наблюдениями и исследованиями, но не учитывается при проектировании, т.к. безнапорные железобетонные трубы формально считаются водонепроницаемыми. Однако такие трубы, изготовленные по обычной технологии, являются водопроницаемыми, с коэффициентом фильтрации, соответствующим примерно коэффициенту фильтрации суглинков. При этом степень водопроницаемости безнапорных труб в каждом конкретном случае остается неопределенной. При прямом использовании дождевых коллекторов в качестве осушителей или осушительных коллекторов необходимо устраивать в лотке трубы отверстия.
Наряду с осушением одновременно уровень воды в реках и прудах в зоне их действия не дает снижаться уровню грунтовых вод. Таким образом, дождевые коллекторы не дают повышаться грунтовым водам выше их уровня, дренируя их, а уровень воды в реках не дает снижаться грунтовым водам ниже корнеобитаемого слоя. То есть система в определенных пределах работает как система двухстороннего регулирования, что следует учитывать на практике.
При возникновении и развитии городских поселений происходит сглаживание и выполаживание склонов, углублений и высот с ликвидацией образованных стекающими дождевыми и талыми водами форм рельефа поверхности земли. Одновременно происходит заиление и захламление речных долин, зарастание и эвтрофикация водоемов благодаря обилию органических загрязнений. Замена естественной гидрографической сети искусственной, трубчатой, далеко не адекватна, т.к. трубчатая сеть имеет гораздо меньшую пропускную способность. При этом недопустимо ухудшается экологическая обстановка, в том числе за счет резкого снижения качества воды до неприемлемого уровня из-за городских загрязнений. Без включения в водоотводящую систему крупного города городских водных объектов, выполнявших до этого лишь роль обводнительных и ландшафтно-рекреационных элементов инфраструктуры невозможно обойтись для обеспечения экологической безопасности и защиты города от возможных затоплений и подтоплений.
Территорию городов можно разделить, как правило, на две резко различающиеся зоны: зону сплошной застройки, занимающей, как правило, более 2/3 площади территории и озелененную, в том числе парковую территорию, занимающую менее 1/3 территории.
Зона застройки (селитебная территория) состоит из отдельных участков, на которых произведена радикальная планировка со смягчением или ликвидацией естественных форм рельефа и уничтожением малых естественных постоянных водотоков (ручьев). Отвод атмосферных вод в зоне застройки осуществляется с помощью трубчатой дождевой канализации. Предполагается также, что дождевые и талые воды могут частично стекать по сохранившимся естественным формам рельефа. С бессточных участков паводки 5-10% обеспеченностью (1 раз в 10-20 лет) должны отводиться трубчатой сетью. Отвод паводков большей величины не предусматривается.
К зеленой зоне относятся парки, скверы, а также разного рода неудобные для застройки земли - овраги, болота, поймы малых рек и т.п. Сток атмосферных вод при этом осуществляется без ограничений по рельефу местности с соответствующими размывами и различного вида эрозией.
Таким образом, существующими нормами предусмотрена возможность затопления жилых кварталов раз в 10 лет, что неприемлемо в разрезе всего срока существования городов. Кроме того, не оговаривается, что затопление может возникнуть при недостаточной пропускной способности рек, принимающих воду от дождевой канализации.
Все это доказывает, что рассматривать дождевую канализацию без увязки с речной сетью нельзя. Водоотводящая система города имеет древовидную структуру, в которой малые реки выполняют роль ствола и ветвей, соединяющих участки трубчатой сети, и являются существенной и неотъемлемой частью системы. В крупных городах дождевой и талый сток невозможно по трубам отправить за пределы города, он должен выливаться во внутригородские водные объекты достаточной пропускной способности или достаточной емкости (на ливнесбросной сети устраивают регулирующие резервуары).
Вместе с тем реки и их долины являются частью инфраструктуры города, его «экологическим каркасом», к ним предъявляются экологические, градоформирующие и санитарные требования. Поэтому система должна обладать достаточным водоочищающим потенциалом, так как в основном требования сводятся к качеству воды. Регулирование качества воды в системе должно осуществляться в рамках единой технологической цепи, от водоприемных колодцев до выпусков в водоприемник путем очистки и разбавления загрязненных вод. Основной целью является снижение концентрации загрязнителей в открытых водных объектах до значений санитарных норм.
Таким образом, к системе предъявляются зачастую противоречивые требования, а ее эффективная реконструкция сталкивается с реальными трудностями и проблемами, связанными с крайней неравномерностью дождевого и талого стока.
В условиях отсутствия соответствующих реабилитационных мероприятий речная сеть превращается в цепь болот и затопленных участков с большими площадями регулярно затапливаемых окружающих территорий, эффективность водоотведения и дренажа окружающей территории резко снижается.
В этих условиях произвольно недопустимо снижается обеспеченность незатопления (до 10%). Одновременно ухудшается экологическая ситуация в городе, так как вместо благоприятных для человека условий, обеспечиваемых функционированием водных и околоводных систем (с птицами и бабочками), создаются устойчивые неблагоприятные болотные экосистемы (с комарами и ядовитыми змеями), что выводит значительные площади территорий из зоны непосредственного пребывания людей. При этом разрушаются речные и пойменные экосистемы, ухудшается микроклимат, усиливается пылевое загрязнение воздуха, ликвидируется возможность рекреации, увеличивается отрицательная психологическая нагрузка на жителей. То есть заметно ухудшается качество среды проживания населения. Поэтому необходимо стремиться к оптимально возможному сохранению при- родного состояния речных долин и особенно пойменных участков.
С целью избежать возможных затоплений и подтоплений в связи с деградацией естественной гидросети, как правило, бессистемно и беспорядочно проводятся работы по регулированию стока путем создания водоемов и местной (фрагментарной) корректировки русел рек. Поскольку эти работы проводятся без достаточных методических и расчетных обоснований, они обычно малоэффективны, нерезультативны, а иногда только усугубляют положение. Проблема заключается в огромной неравномерности осадков и стока по сезонам и годам. Для европейской части паводковые расходы 1% обеспеченности превышают расчетные расходы в 150 раз, а уровень воды в реке может изменяться на величину до 8 метров. То есть в межень река катастрофически маловодна, а в редкие половодья катастрофически многоводна. Поэтому, как правило, применяемые мероприятия заключаются в подпруживании реки с помощью запруд и донных порогов без существенного увеличения пропускной способности русла. Положение усугубляется еще и тем, что на территории города не всегда возможно создание больших противопаводковых водохранилищ.
Главной целью реконструкции рек в городе является предотвращение затоплений и подтоплений территории. Долины малых рек, существующих на территории города, формируют так называемый «экологический каркас» города. Участки малых рек и их долины целесообразно разделить на две группы:
- участки, где отсутствует или имеется целиком застроенная пойма, которую недопустимо затапливать (обычно - центр города и зона сплошной застройки);
участки, где имеется и функционирует затапливаемая в период больших паводков пойма (обычно, зеленая парковая зона).
Подход к реабилитации малых рек для двух видов участков различен.
Для первой группы участков рек основной задачей является предотвращение затоплений административных и жилых районов города. Одновременно достигается привлекательный вид за счет облика полноводной реки, и сохраняются водные экосистемы.
Для второй группы участков рек должна быть предусмотрена оптимизация зоны возможного затопления поймы размерами, предусматривающими существование водных и околоводных экосистем, а также создание водоемов для рекреации.
В первом случае в русле устраивается водосбросная плотина, рассчитанная на пропуск всего катастрофического паводкового расхода.
Во втором случае в русле устраивается затапливаемая в паводок за пруда или донный порог, рассчитанные на пропуск руслового расхода, соответствующего моменту выхода воды на пойму, при этом должен быть перепад между бьефами не более 25 см.
При этом основной остается трудно решаемая проблема затопления городских территорий большим паводками. Эту проблему можно решить, радикально увеличивая пропускную способность протекающих по городу рек с одновременным созданием в их верховьях противопаводковых регулирующих водохранилищ, уменьшающих величину максимального паводкового расхода за счет его задержания и накопления в водохранилище. Причем это относится не только к крупным рекам, но и к малым, берущим начало в пригородной зоне или даже в пределах города. Увеличение пропускной способности русла достигается благодаря углублению и расширению русла и придания ему формы, приближающейся к гидравлически наивыгоднейшему сечению. Иногда для этой же цели устраивается параллельный руслу спрямляющий рукав реки (река Москва в центральной части города).
Кроме того, должно предусматриваться строительство водозащитных дамб с одновременным созданием прибрежных валов и береговых парапетов.
Проблема должна решаться комплексно с использованием всех возможностей.
Особого внимания требуют проектные решения по сопряжению участков с пониженными уровнями воды в зоне защиты с обычными естественными уровнями, так как здесь может наблюдаться неустановившееся неравномерное движение воды с нарушением режима защиты от затопления. Для исключения такой возможности необходимо обеспечить соблюдение установившегося режима, равномерного по длине каждого участка. Это требование в основном относится к моменту пропуска расчетного максимального расхода. Для выполнения этого требования необходимо, чтобы на протяжении двух или трех одновременно реконструируемых участков русла глубина h была постоянной, оставаясь выше критических значений hкр. Постоянная глубина h поддерживается соответствующим изменением площади живого сечения потока.
Основные параметры реконструируемого русла определяются требованиями полноценного функционирования районов плотной застройки центральной, исторической части города. При этом используется устройство прирусловых валов в виде тротуаров и дорог, а также возведение по бровке парапетов, рассчитанных на давление воды со стороны русла. Эти элементы используются как части, формирующие основной профиль русла реки.
Что касается зеленых окраин и пригородов, то здесь целесообразен другой подход. В этом случае оправдано сохранение, а иногда и восстановление затапливаемой поймы, так как с увеличением городов и частичной канализацией городских рек, выводимых из полноценного природного состояния, ухудшается экологическая обстановка в городе.
Регулирование русел рек в защитных целях является многосторонней задачей и должно одновременно решать экологические проблемы, связанные в том числе, с качеством воды в них.
Важнейшим фактором деградации рек является качество воды в них, обычно достигающее или превышающее критические значения. В большинстве городских рек наблюдается превышение допускаемых санитарными нормами максимальных значений концентраций некоторых загрязнителей, к которым относятся:
- нефтепродукты;
- железо;
- биологические загрязнители, измеряемые показателем БПК (биологическая потребность в кислороде);
- химические загрязнители, измеряемые показателем ХПК (химическая потребность в кислороде);
- бактериальное загрязнение (коли-индекс).
Мероприятиями, проводимыми на водосборной территории и в границах работы дождевой канализации, невозможно добиться нужного качества воды. В систему водоочистки должна быть включена речная сеть, водоочищающими элементами которой являются пруды. Можно различать два вида водоочищающих прудов: пруды - отстойники и биопруды. В прудах-отстойниках осаждаются песчаные взвеси, время нахождения воды в пруду составляет до трех суток. В биопрудах осаждаются пылеватые взвеси и происходит биохимическая очистка (биохимическое окисление) от других загрязнителей. Время нахождения воды в пруду - до 10-15 суток.
Таким образом, пруды и русловые подпорные бьефы, создаваемые при реконструкции русел, должны выполнять водоочищающие функции, образуя речную водоочищающую сеть (систему), состоящую из сточных прудов, расположенных у истоков или в верхнем течении ручьев и рек, и проточных прудов, расположенных в среднем течении рек. Эффективность водоочищающих прудов зависит от их размеров и скорости течения воды в пруду.
В целом речная система надежно очищает воду от загрязнений в виде песчаных взвесей (в том числе мелких), а от еще более мелких (пылеватых) частиц речная система очистить сточные воды полностью не может, так как устройство больших биопрудов в городских условиях затруднено. Все элементы речной системы, за исключением биопрудов, транспортируют такие загрязнения за пределы системы, что необходимо учитывать при расчете баланса загрязнений, определении их концентрации и ее соответствия санитарным нормам.
Таким образом, реконструкция городской обводнительно-водоотводящей системы подчинена выполнению трех основных требований:
1. Предотвращение затоплений и подтоплений;
2. Экологическая и санитарная безопасность;
3. Полное соответствие градостроительным условиям органичного включения водных объектов в структуру города.
Модернизация речной системы в целях соответствия перечисленным требованиям заключается в основном в дноуглублении и переформировании русел рек; реконструкции существующих и создании новых русловых бьефов и пойменных прудов; строительстве специфических подпорных гидросооружений.
Так достигается радикальное изменение режимов уровней и скоростей движения воды в водной системе, что определяет достижение требуемого эффекта предотвращения негативных последствий возможных затоплений и подтоплений городских территорий при прохождении паводков, а также соблюдение санитарно- экологических требований к качеству воды в них.
Литература:
1. СП 32.13330.2012 (актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85) «Канализация. Наружные сети и сооружения».
2. СП 33-101-2003 «Определение основных расчетных гидрологических характеристик». М., Госстрой России, 2004.
3. СП 35.13330.2011. «Мосты и трубы».
4. СП 58.13330.2012. «Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования».
5. СанПиН 2.1.5.980-00. «Водоотведение населенных мест, санитарная охрана водных объектов. Гигиенические требования к охране поверхностных вод».
6. СП 45.13330.2012. «Мелиоративные системы и сооружения».
7. Справочник «Проектирование гидротехнических сооружений мелиоративных систем». Орлов Б.В. и др., под общей редакцией В.Д.Дупляка., К., Будiвельник. 1993 г.
8. Малые реки России. Научный руководитель А.М.Черняев. Свердловск.1988 г.
9. И.Г.Бойкова, В.В.Волшаник, Н.Б.Карпова, В.Г.Печников, Е.И.Пупырев. Эксплуатация, реконструкция и охрана водных объектов в городе. Издательство Ассоциации строительных вузов. М., 2008.
10. Орлов Б.В., Бойкова И.Г. Водоотводящие системы мегаполиса. Изд-во LAP Lambert Academic Publishing. 2013.
11. Орлов Б.В., Бойкова И.Г., Волшаник В.В. Управление стоком с территории мегаполиса (на примере Москвы) (в печати).
12. Орлов Б.В., Марголин М.Ш. Гидравлические диаграммы трубчатых гидросооружений. В кн.: Вопросы проектирования технически совершенных мелиоративных систем. Сб. научных тр. Союзводпроект, м., 1974 г, вып.1.
13. Б.В.Орлов, И.Г.Бойкова, В.Г.Печников. Состояние и реальные пути экологической реабилитации московской городской водоотводящей системы. Водоснабжение и санитарная техника. 2012.
14. Бойкова И.Г., Орлов Б.В. ГУП «МосводоканалНИИпроект»; Осина Т.А. ГУП
«НИиПИ Генплана Москвы». Мероприятия по инженерной подготовке и защите берегов и прибрежной зоны в составе целевой среднесрочной программы комплексного благоустройства и ландшафтного оформления набережных реки Москвы. Сборник трудов института МосводоканалНИИпроект. 2006.
15. Пушкарев С.Г., Пушкарев Ф.С., Бойкова И.Г., Печников В.Г. Градоформирующая роль рек и речных долин в структуре г. Москвы. (К целевой долгосрочной программе по восстановлению малых рек и водоемов города Москвы на период до 2010 года). Сборник трудов института МосводоканалНИИпроект. 2001.
The problem of reconstruction of urban irrigation-drainage systems
The Reconstruction of urban irrigation4drainage s ystems especially relevant in the context of the deteriorating conditions of ecological safety of the cities.
The work is devoted to the justification of the interaction of engineering and natural drainage systems in urban areas and the need for optimization of their parameters when carrying out engineering activities on reconstruction and modernisation of river systems, which mainly involve dredging and the reformation riverbeds; reconstruction of existing and creation of new tailrace channel and floodplain ponds; the specific construction of retaining hydraulic structures.
Keywords: water body, irrigation-drainage system, surface runoff, regulation of riverbed, flood flow, water dams, water treatment devices, biological self-cleaning pond.
Orlov Boris Vasilievich - Ph. D., consultant LLC «SOYUZVODPROEKT».
Boykov Oleg Igorevich - general director of LLC «SOYUZVODPROEKT», an expert on the safety of hydrotechnical installations.
Boikova Iraida Georgievna - Ph. D., senior research fellow of the Department of waterworks of JSC «NII VODGEO», E-mail:Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Журнал «Вода Magazine», №9 (97), 2015 г.
