Методы гидрографа: моделирование ливневого стока

Эти методы основаны на моделях осадки-сток, которые рассчитывают гидрограф паводочного стока по данным о дождевых осадках для выбранного периода повторяемости и за определенное время при заданном пространственном распределении.

Помимо количества дождевых осадков должны быть известны, кроме того, исходное состояние переменных модели, параметры модели и другие характеристики бассейна. Период повторяемости паводка обычно принимается равным периоду повторяемости дождя. Однако возможно применение подходов, позволяющих стохастически изменять значения других входных параметров, например потери дождевого стока и временных структур.

Такие модели чаще всего содержат два основных модуля: гидрологический модуль и гидравлический модуль. Гидрологический модуль применяется для вычисления суммарного склонового стока за промежуток времени. Гидравлический модуль применяется для пространственно-временного расчета движения этого объема воды по улицам, трубопроводам, каналам и через водоемы.

В гидрологическом модуле применяются следующие инструменты расчета:
- коэффициенты, как и в рациональном методе;
- уравнения инфильтрации, как например уравнения Хортона, Грина и Ампта;

- эмпирические соотношения, подобные установленным Службой охраны почв (СОП) Министерства сельского хозяйства США, в настоящее время известной как Служба охраны природных ресурсов. Первая группа методов предпочтительна, когда модель применяется к интенсивности проявления дождя большей или меньшей той, которая была использована при выработке модели.

Вторая и третья группы методов более надежны и используются в таких моделях, как вышеописанная модель СОП (SCS, 1975) и HEC-1 (Feldman, 1995). Основное упрощение этих моделей состоит в использовании однородного пространственного распределения параметров и дождевых осадков в каждом подбассейне.

Гидравлический модуль может быть представлен следующими типами уравнения:

- уравнения сохранения и перемещения кинематической волны, в которых применены два несложных упрощения: они применяются для потоков со свободной поверхностью в трубах и каналах, но не учитывают обратные связи, которые очень распространены на урбанизированных территориях;

- уравнения диффузии и гидродинамики для потока со свободной поверхностью: такой тип моделей принимает в расчет обратные связи, но эти уравнения не могут применяться для напорных потоков, возникающих при скорости большей, чем предусмотрено проектными условиями;

- уравнения гидродинамики для напорного движения в трубах и со свободной поверхностью. Эта модель в основном используется для оценки сценариев и событий, выходящих за рамки условий проекта.

Эти модели нацелены на отражение различий на водонепроницаемых площадях подбассейна, характеристик поверхностного стока, различий во времени стекания в пределах подбассейна и русловых эффектов в каналах и водотоках. При динамичной урбанизации в течение какого-то времени для оценки влияния изменений плотности урбанизации, соответствующей сценариям развития в будущем, следует использовать модели, учитывающие отношение между водонепроницаемыми площадями и плотностью урбанизации (Tucci, 2001).

Примерами используемых для этой цели моделей являются модели Моуса (DHI, 1990), Hydroworks (HR Wallingford — Wallingford Software) и модель управления ливневым паводком или SWWM (Huber, 1995).

Для оценки параметров модели и уменьшения неопределенности на стадиях планирования и проектирования следует использовать информацию о характеристиках гидрологических факторов и показателях урбанизации. В течение 1970-х и 1980-х годов развивались преимущественно методы и процедуры измерения осадков и стока (Maksimovic and Radojkovic, 1986), что обеспечило развитие и калибровку сложных, часто физически обоснованных моделей анализа дождевых осадков и стока и проектирование систем ливневого дренажа (Yen, 1986).

Несмотря на то, что дренажные системы обычно спроектированы для противопаводочной защиты при ливнях заданной вероятности, большинство современных моделей способно моделировать последствия коллекторного стока, объединенного с поверхностным стоком по улицам (сток по открытым каналам). Большое число таких моделей описано в разделе 5.10.5.

Исследования урбанизации в развивающихся странах чаще всего приходится выполнять при отсутствии измеренных гидрологических характеристик, поскольку такие данные либо трудно получить, либо они просто не существуют.

Поэтому существует настоятельная необходимость улучшения процесса сбора гидрологических данных на урбанизированных территориях, особенно во влажных тропиках. Без таких данных параметры моделей могут иметь значительную неопределенность, которая способна вызвать удорожание строительства дренажных городских систем в связи с завышением размера инфраструктуры или затрат, связанных с подтоплениями, вызванными недоучетом размера дренажной сети.

Качество воды. Модели оценки качества воды, как правило, имеют модуль количества, позволяющий оценить сток, образованный дождем, и модуль качества для оценки изменения качества воды, выраженной такими параметрами, как биохимическое потребление кислорода, содержание нитратов и фосфатов.

Модуль качества воды обычно включает следующие шаги: расчет полной нагрузки загрязнения, переноса, задержания и контроля загрязнения. Некоторые модели имеют компоненты качества воды: SWWM, Моуса и Сторма (HEC, 1977).

Основная трудность прогнозирования качества воды — недостаток данных наблюдений для выбора параметров моделей. Следовательно, проверка обычно основывается на сравнении опубликованных данных с какими-либо другими данными. Для лучшего понимания границ влияния и мер контроля, необходимых для принятия решения по управлению городским развитием, используют анализ неопределенности.