Проектирование городского ливневого дренажа

Основными конструкционными единицами канализационных систем являются водостоки, трубопроводы, каналы и средства задержания и сохранения стоков. Гидрологическое проектирование этих объектов основывается на вычислении максимального расхода интегрального гидрографа, показывающего пики паводков и объемы.

Методы проектирования, как правило, основаны на допущении, учитывающем соотношение осадков и стока. Существуют два основных метода:

а) рациональный метод, который оценивает только максимальный расход и принимает коэффициент стока и интенсивность выпадения дождевых осадков за какой-либо промежуток времени постоянными. Это предположение вполне обосновано для бассейнов, меньших 2 км²;

б) метод расчета гидрографа стока, позволяющий определить максимум и объем паводка. Он представляется важным для водохранилищ и учитывает наличие больших урбанизированных бассейнов.

Эти методы оценки максимального расхода и объема паводков в значительной мере основываются на данных о расчетном ливне, землепользовании на расположенной выше по течению территории и других характеристиках бассейна.

Расчет ливня. Городские территории подвержены воздействию ливней, которые повсеместно имеют стохастическую природу. Поэтому проектирование дренажных систем основано на рассмотрении ливней определенного периода повторяемости. Слой дождевых осадков определенного периода повторяемости обычно определяется по кривым: интенсивность осадков-продолжительность-повторяемость, которые составлены для многих городов (см. раздел 5.7).

Выбор периода повторяемости для прогнозирования ливня с последующим использованием его для анализа методом осадки-сток зависит от значения территории, которую требуется защитить, и размера возможного ущерба, к которому может привести наводнение.

Интенсивность выпадения дождевых осадков значительно изменяется от умеренного климата к влажному тропическому. Рисунок II.4.38 демонстрирует дождь продолжительностью один час, зафиксированный 11 приборами во влажном тропическом районе Амазонии, в сравнении со средними дождями, зафиксированными за границей этой области (в субтропиках и умеренной зоне).

Рисунок II.4.38. Сравнение среднего максимума дождевых осадков одночасовой продолжительности во влажных тропиках и между 20° ю. ш. и 30° ю. ш. в Бразилии (Tucci, 2001)

Для такого же периода повторяемости разница интенсивностей составляет 25 процентов, что может привести к увеличению прогнозируемой величины максимума паводка от 50 до 100 процентов в зависимости от метода расчета.

Управление дренажными системами на урбанизированных территориях в условиях такой высокой увлажненности требует использования более коротких периодов повторяемости для проектирования при соответственно более высоком риске наводнения.

Развитие бассейна. При моделировании городской дренажной системы должен учитываться размер и уровень развития урбанизированной территории. Кроме того, моделирование потребуется на стадии определения диапазона масштабов системы.

В основном дренажные системы являются сочетанием главных и второстепенных дренажных сетей. Последние используются для дренажа небольших территорий (≤ 2 км²), таких как промышленные зоны или кондоминимумы, тогда как системы первого порядка состоят из больших магистральных дрен и/или главных городских водотоков. Расположенные выше по течению части бассейнов этих главных водотоков могут включать как урбанизированные, так и не урбанизированные территории.

На развитых урбанизированных территориях дренажная система хорошо отлажена, в то время как на неразвитых территориях действует натуральное дренирование. Исследуя будущие сценарии освоения бассейнов неразвитых районов, необходимо получить общий вид дренажной системы из плана развития территории.

В странах, где нет роста городов в связи со стабилизацией уровня населения, как в некоторых европейских городах, сценарии будущей урбанизации связаны с улучшением существующей дренажной системы и качества воды. Вместе с тем в большинстве развивающихся стран урбанизация носит динамичный характер и часто не поддается контролю. Очень сложно управлять потенциальными воздействиями такого развития на сток, с тем чтобы не допустить деградации окружающей среды и возрастания угрозы паводков.

Любой расчет расхода воды на урбанизированной территории должен быть основан на показателях существующей первичной и вторичной систем дренажа и, кроме того, на анализе вероятных или планируемых сценариев развития урбанизированной территории в будущем.

Вычисление максимального расхода для небольших дренажных площадей в основном проводится с использованием рационального метода, несмотря на его ограниченность в связи с пространственно-временной изменчивостью гидрологических процессов (Heaney and others, 2002). Выбор подхода для определения основных компонентов дренажной системы будет зависеть от степени развития бассейна.

Неразвитые или развивающиеся территории: бассейн, который на данный момент неразвит или в котором предстоит возрастание урбанизации, не будет иметь сложной планировки улиц и первичных дренажных систем, но будет иметь план развития, основанный на плотности населения в виде генерального плана развития города.

Могут быть получены эмпирические соотношения между плотностью населения и площадью водонепроницаемых территорий для выбора расчетной кривой доли водонепроницаемой территории (AI). Такие соотношения были получены для трех крупнейших городов Бразилии: Сан-Паулу, Куритиба и Порто-Аллегре (Campana and Tucci, 1994), которые привели к следующему уравнению:

где DH — плотность урбанизации, равная числу жителей на гектар территории. Такое соотношение применимо для Бразилии, поскольку DH < 130 жителей/гектар. При больших значениях плотности принимается величина водонепроницаемой поверхности 65 процентов. Это соотношение применимо для площадей больше 2 км², а для меньших площадей существует вероятность искажения.

Расчет максимального расхода. Расчетный максимальный расход может быть определен следующими методами:
- по частоте повторяемости расхода, определенной по рядам стока репрезентативной длины;

- по эмпирическим уравнениям, полученным в результате регионального анализа расходов паводков;
- по расчетному гидрографу стока, полученному с использованием модели осадки-сток.

При применении метода (а) требуются значения измеренных репрезентативных расходов максимальных паводков. Такие данные не всегда доступны, а получение измеренных характеристик паводков может быть осложнено ввиду продолжающейся урбанизации бассейна. Применение метода (b) требует получения эмпирических уравнений для конкретных регионов, основанных на данных по региону.

В целом рекомендуется использовать эти уравнения только для тех районов, для которых они были получены. Использование модели осадки-сток (с) является самым распространенным методом оценки максимального расхода и построения гидрографа дождя при определенном периоде повторяемости.

Такой подход рекомендует простые методы для малых бассейнов. Они дают только значение максимального расхода, как и рациональный метод, описанный ниже. В других подходах предприняты попытки определения как максимальных расходов, так и временного хода расходов, производя, таким образом, построение расчетного гидрографа паводка. Более подробно эти методы также описаны ниже.