Юрковець О. С. Закономірності формування витрат дощових вод м. Києва // Міжнародний науковий журнал "Інтернаука". — 2019. — №8. https://doi.org/10.25313/2520-2057-2019-8-4967
Архітектура
УДК 711.168
Юрковець Олександр Степанович
аспірант кафедри міського будівництва
Київського національного університету будівництва та архітектури
Юрковец Александр Степанович
аспирант кафедры городского строительства
Киевского национального университета строительства и архитектуры
Yurkovets Olexander
Post Graduate of the
Kiev National University of Civil Engineering and Architecture
Науковий керівник:
Приймаченко Олексій Віталійович
кандидат технічних наук, доцент,
доцент кафедри міського будівництва
Київський національний університет будівництва та архітектури
ЗАКОНОМІРНОСТІ ФОРМУВАННЯ ВИТРАТ ДОЩОВИХ ВОД М. КИЄВА
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ РАСХОДОВ ДОЖДЕВЫХ ВОД Г. КИЕВА
REGULARITIES OF FORMATION OF EXPENSES OF RAIN WATERS OF KYIV
Анотація. В сучасних умовах зростання напруження екологічної ситуації в галузі водовідведення та очищення стічних вод набувають більшого значення. Регулювання відведення дощових вод стає особливо актуальним у зв’язку зі збільшенням забруднення атмосферних опадів та поверхневого стоку. Система відведення дощових вод - один з найважливіших елементів благоустрою територій міст. Недостатня увага до своєчасного водовідведення атмосферних опадів нерідко призводить до затоплення територій, перебоям у роботі транспорту та підприємств. Формування дощового стоку пов’язане з низкою факторів, зокрема запасами вологи в атмосфері, температурних коливань, напряму та сили вітру, рельєфу місцевості і т.д. В статті розглянуто відомі розрахункові залежності для визначення витрат та обсягів поверхневих стічних вод, що використовуються для визначення розрахункових параметрів дощової каналізації у містах. Розглянуто залежність середньої інтенсивності дощів, виражених в долях від рівнозабезпечених добових показників опадів для Київської області.
Ключові слова: об’єм дощового стоку, інтенсивність опадів, імовірність інтенсивності, коефіцієнт стоку.
Аннотация. В современных условиях рост напряженности экологической ситуации в области водоотведения и очистки сточных вод приобретают большее значение. Регулирования отведения дождевых вод становится особенно актуальным в связи с увеличением загрязнения атмосферных осадков и поверхностного стока. Система отвода дождевых вод - один из важнейших элементов благоустройства территорий городов. Недостаточное внимание к своевременного водоотведения атмосферных осадков нередко приводит к затоплению территорий, перебои в работе транспорта и предприятий. Формирования дождевого стока связано с рядом факторов, в частности запасами влаги в атмосфере, температурных колебаний, направления и силы ветра, рельефа местности и т.д. В статье рассмотрен известны расчетные зависимости для определения расходов и объемов поверхностных сточных вод, используемых для определения расчетных параметров дождевой канализации в городах. Рассмотрен зависимость средней интенсивности дождей, выраженных в долях от равнообеспеченных суточных показателей осадков для Киевской области.
Ключевые слова: объем дождевого стока, интенсивность осадков, вероятность интенсивности, коэффициент стока.
Summary. Nowadays the growth tension of an ecological situation in the field of water disposal and sewage treatment gain bigger value. Regulations of removal of rain waters becomes especially relevant in connection with increase in pollution of an atmospheric precipitation and a superficial drain. The system of removal of rain waters is one of the most important elements of improvement of territories of the cities. The insufficient attention to timely water disposal of an atmospheric precipitation quite often leads to flooding of territories, interruptions in work of transport and the enterprises. Formations of a rain drain it is connected with many factors: moisture reserves in the atmosphere, temperature fluctuations, the direction and the wind force, a land relief and so on. In article it is considered estimated dependences for definition of expenses and volumes of the surface sewage used for determination of calculated parameters of the rain sewerage in the cities are known. It is considered dependence of average intensity of the rains expressed in shares from Exactly provided daily indicators of rainfall for Kiev region.
Key words: quantity of a rain drain, intensity of rainfall, intensity probability, drain coefficient.
Постановка проблеми. Процес утворення дощу та формування дощового стоку надзвичайно складний, мінливий та залежить від багатьох факторів. До них можна віднести запаси вологи в атмосфері, температурні коливання, напрям та сила вітру, рельєф місцевості та багато інших гідрометеорологічних умов. Значного впливу задає вітер, що несе випарувану вологу з відкритих водних поверхонь. Опади випадають лише у випадку, коли повітря насичене вологою, досягає точки роси. Різноманітність факторів, що викликають утворення опадів обумовлена різноманітністю коливань кількості, інтенсивності та тривалості опадів. Інтенсивність дощів в процесі опадів не постійна та безперервно змінюється в часі. Навіть в одній місцевості не можливо два однакових за інтенсивністю дощу.
Клімат Києва є помірно континентальним із м’якою зимою і теплим літом. Опади в Києві визначаються головною мірою інтенсивністю циклічної діяльності. В цілому за рік випадає близько 605 мм опадів, з яких 478 мм дощі. В крупних містах з високою щільністю населення та великими площами асфальтних покриттів щорічно утворюється мільйони кубометрів дощових, талих та поливних стокових вод. Наприклад в Дарницькому районі Києва з площі 13 400 га відводиться приблизно 53 740 м3/рік. Нормативні документи [1, 9] забороняють скидати у водойми без очищення поверхневі стоки. Основним фактором поверхневого стоку, що створює витрати в системі водовідведення і, як наслідок параметри усіх споруд є розрахункова інтенсивність дощу.
Максимальні витрати дощового стоку утворюються в системі дощового стоку завдяки інтенсивній частині дощу, тривалість якої дорівнює часу добігання дощових вод від найбільш віддаленої точки площі водозбору до розрахункового перерізу (часу поверхневої концентрації стоку). Найбільш практичних інтерес з усіх характеристик дощу представляють середні інтенсивності за періоди різної тривалості, що включають найбільш інтенсивну частину дощу.
Стан дослідження. Серед найстаріших методів визначення розрахункових інтенсивностей можна віднести «спосіб граничних інтенсивностей» проф. П.Ф. Горбачова, розроблений в 1915-1922 рр., [7] Г.Л. Зак в даний спосіб пізніше ввів поправку, яка враховує кліматичні умови конкретних регіонів. [8].
З 50-х по 80-і роки для розрахунку дощової каналізації (для t=5-120 хв) зазвичай використовувалась формула, запропонована М.В. Молоковим, яка була отримана на основі даних самозаписувальних приборів вимірювання дощу, після чого були складені карти з ізолініями розрахункових параметрів, що дозволяли визначити інтенсивність дощу [13]:
(1)
де q- інтенсивність дощу, л/с на 1 га; ;
q20 - інтенсивність дощу для заданої місцевості при періоді однократного перевищення один раз на рік, л/(сга);
C – параметр, який характеризує імовірність інтенсивності;
Р- період однократного перевищення інтенсивності;
t – тривалість дощу, хв;
n – параметр, що характеризує темп зменшення середньої інтенсивності зі збільшенням періоду опадів.
В країнах СНД дослідженнями залежності інтенсивності від тривалості та періоду однократного перевищення займалася низка вчених (М.М. Бєлов, М.В. Молоков, Г.А Алексеев і тд), завдяки яким були запропоновані різноманітні формули для визначення інтенсивності для окремих районів та міст.
В США, Німеччині да деяких інших країнах інтенсивність часто представлена у вигляді кривої, як функцію тривалості. При цьому для кожного періоду свій графік. Найчастіше залежність інтенсивності від тривалості виражена формулою вигляду:
(2)
При цьому одні дослідники, М.В. Молоков, В.С. Гулієв, А.Я. Кийв, С.Н Кічев та ін. приймають значення b=0, інші n=2/3 та b=0, у Великобританії n=1,0 та b=20 хв. для t ≥ 20 хв. та b=40 хв. для t ≤ 20 хв. чи n=2/3 та b=0, в США - n=1,0 та b=10-33 хв. в залежності від періоду перевищення β та територіального району, в Німеччині - n=0,73 та b=0 для t ≥ 15 хв. та b=15 хв. та n=1,35 для t ≤ 15 хв.
Деякі з дослідників пропонували залежності іншого вигляду:
(3)
(4)
Остання залежність пропонувалася В.С, Надісеєвим та Данг Суан Сін для м. Ханой та ще 3-ох міст В’єтнаму при r = 0,42 та k = 0,00051.
Комбінована залежність (2) при b=0 та n=const з 3-ома параметрами A, b, та n є досить гнучкою. При n ≤ 1,0 зі збільшенням t кількість опадів H = At/(t+b)n збільшується безмежно, при n ≥ 1,0 кількість опадів спочатку зростає та при t1 = b/(n-1) стає максимальною, а потім при t ≥ t1 зменшуються, що суперечить фізичній суті явища.
Залежність (4), хоча і має 3 параметри, не відрізняється особливою гнучкістю. Кількість осадів за цією формулою спочатку зростає, а потім зі збільшенням t починає спадати. І при тривалих опадах отримуємо абсурдні значення.
Всі формули, що застосовуються являються емпіричними. Процеси утворення атмосферних опадів не дозволяє на даний момент теоретично обґрунтувати залежність інтенсивності від тривалості дощів. Тому для практичних задач цілком допустимо застосування натурних спостережень. Межі їх застосування мають чітко бути обмеженими.
Мета статті. Обґрунтувати і скоригувати розрахункові залежності для визначення витрат та об’ємів поверхневих стічних вод для м. Києва.
Виклад основного матеріалу. Для розрахунку максимальних витрат води дощових опадів на водозборах з різним часом добігання води необхідно знати найбільші суми опадів (Ht) та середні інтенсивності дощу (qr = Ht / t) за різні інтервали часу (t) даного дощу та серед інших дощів. В найпопулярнішій методиці приймається, що відношення рівнозабезпечених шарів опадів за дощ (Ht) та добових шарів опадів (Hдоб) мало залежать від вихідних значень забезпеченості β та відповідних добових опадів Hдоб для району з однорідним характером випаду опадів, і це відношення залежить лише від інтервалу часу.
На основі цього положення інтенсивності дощу qr за будь-який інтервал часу t виражається через добовий шар опадів існуючої імовірності:
(5)
де q(t) = Ht / t Hдоб відношення до добового шару опадів, інтенсивність дощу (табл. 1).
Таблиця 1
Значення середньої інтенсивності дощів (л/с га мм), виражених в долях від рівнозабезпечених добових показників опадів для Київської області
|
Інтервали часу, хв. |
5 |
10 |
20 |
40 |
60 |
90 |
150 |
300 |
720 |
|
При Р > 3,5 г. |
7,3 |
5,76 |
3,95 |
2,46 |
1,89 |
1,37 |
0,9 |
0,482 |
0,229 |
|
При 1,4 </’<3,5 г. |
7,23 |
5,35 |
3,83 |
2,32 |
1,68 |
1,27 |
0,782 |
0,445 |
0,215 |
|
При 0,7 <Р < 1,4 г. |
7,18 |
5,22 |
3,72 |
2,06 |
1,52 |
1,17 |
0,766 |
0,436 |
0,196 |
|
При Р < 0,7 г. |
4,97 |
3,75 |
2,65 |
1,72 |
1,32 |
0,988 |
0,675 |
0,393 |
0,167 |
Виражаючи залежність інтенсивності q від тривалості з рівнянням:
(6)
По табличним даним (табл.1) методом найменших квадратів визначались параметри AK та n за різні інтервали час у при b=0, b=1, b=5 та b=10 хв, а потім середньоквадратична похибка σ. Результати цих розрахунків приведені в (табл. 2)
Таблиця 2
Параметри AK та n в формулі (6) при різноманітних значеннях b
|
Тривалість t, хв |
Значення b |
Р > 3,5 г. |
1,4 < Р <3,5 г. |
0,7 <Р< 1,4 г. |
Р < 0,7 г. |
||||||||
|
AK |
n |
σ |
AK |
n |
σ |
AK |
n |
σ |
AK |
n |
σ |
||
|
5-300 |
5 |
51,56 |
0,86 |
4,20 |
53,24 |
0,88 |
3,54 |
51,27 |
0,88 |
2,84 |
27,21 |
0,77 |
2,79 |
|
10-150 |
0 |
31,71 |
0,76 |
5,63 |
32,45 |
0,77 |
6,72 |
31,71 |
0,78 |
4,94 |
15,78 |
0,64 |
4,97 |
|
5-300 |
1 |
31,19 |
0,75 |
10,48 |
31,92 |
0,77 |
9,35 |
30,77 |
0,77 |
7,91 |
17,39 |
0,68 |
6,60 |
|
5-300 |
0 |
26,89 |
0,72 |
12,75 |
27,43 |
0,74 |
11,57 |
26,48 |
0,74 |
10,12 |
15,26 |
0,65 |
8,41 |
|
5-300 |
10 |
87,36 |
0,96 |
1,66 |
91,35 |
0,98 |
3,53 |
87,56 |
0,98 |
5,02 |
43,52 |
0,86 |
4,60 |
|
5-90 |
0 |
22,24 |
0,65 |
9,47 |
23,29 |
0,67 |
9,59 |
23,91 |
0,69 |
9,37 |
13,10 |
0,59 |
3,85 |
|
20-300 |
0 |
43,20 |
0,82 |
2,69 |
43,47 |
0,84 |
1,23 |
38,45 |
0,83 |
1,81 |
20,86 |
0,72 |
4,22 |
З аналізу даних розрахунків, приведених в табл. 2 варто відзначити, що для умов довжини колекторів Києва найбільш підходить формула з b=0 для дощів з розрахунковою тривалістю 10-150 хв.
Криву розподілу середнього числа перевищення в рік S=1/P максимальних добових опадів А.М. Курганов запропонував описувати рівнянням:
(7)
де k – коефіцієнт, що залежить від показника степені β; mr, та Hr – середня кількість дощів та середня к-сть опадів, відповідно, за теплий сезон року.
На основі даних спостережень за 50 років для Києва отримано Hr = 356 мм, середнє значення добових опадів H=29,5 мм та добові опади різної забезпеченості (табл. 3), а також параметри формули (7) – β = 0.5, k = 2.81, mr = 208.
Все вищезгадане дозволяє визначати витрати дощових вод за формулою: ψ
(8)
де ψ – коефіцієнт стоку; F – площа басейну стоку, га; H1 = 22 мм.
Таблиця 3
Добові опади Hдоб (мм) різної забезпеченості Р
|
Забезпеченість Р,% |
1 |
2 |
5 |
10 |
20 |
39 (1 раз в 2 роки) |
63 (1 раз щорічно) |
86 (2 рази в рік) |
|
Hдоб |
81 |
70 |
57 |
47 |
38 |
29 |
23 |
17 |
Показники степені мають прийматися в залежності від повторюваності: при P>3,5 n4=0,72; при 1,4<P<3,5 n3=0,73; при 0,7<P<1,4 n2=0,74; при P<0,7 n1=0,61 (див. табл. 2).
Після початку дощу сток вод починається після деякого часу, оскільки відбувається змочування поверхні та заповнюються нерівності. З водонепроникних поверхонь сток відбувається швидше аніж з водопроникних. Сток з асфальтових покриттів починається після того, як поверхня вбере в себе до 1 мм води, з бетонної – до 1,5 мм.
На газонах, перш ніж почнеться сток, вбирається до 6 мм води. На розпаханих та інших поглинаючих поверхнях початкові втрати можуть збільшитися до 10 мм і більше. Наглядний графічний опис утворення стоку після дощу можна побачити на Рис. 1
(9)
де ψ – коефіцієнт стоку для максимальних витрат дощового стоку від розрахункових дощів; z – коефіцієнт, що залежить від виду поверхні, що визначається за ДБН В.2.5-75:2013; q, t – те ж саме, що й у формулі (1):
(10)
Рис.1. Загальна схема формування витрат по ходу дощу: Q – витрата дощових вод; T – час від початку стоку; Тд – тривалість дощу; Тст – тривалість стоку; 1 – запас вологи в грунті; 2 – вбирання дощових вод до моменту утворення стоку; 3 – витрата дощу на площі водозбору; 4 – сток з площі водозбору; 5 – дощовий сток, що надійшов до каналізаційної мережі; 6 – витрата дощового стоку перед надходженням в регулюючий резервуар, водойму чи очисні споруди
З початком опадів дощу запас підземних вод поступово збільшується до тих пір, поки ґрунт не буде насичений вологою. В цей момент інтенсивність утворення стоку стає рівною інтенсивності опадів. Як наслідок, стокоутворююча доля опадів зростає по мірі наближається величини запасу підземної вологи при її значенні при насиченні Hнас (мм).
Відношення об’єму поверхневого стоку на водозборі протягом тривалості одного дощу до всього загального об’єму опадів називають коефіцієнтом поверхневого стоку. Висоту добового шару дощового стоку hст рекомендую виражати через висоту добового шару опадів за формулою:
(11)
(12)
де H0 – висота шару початкового затримання стоку на поверхні території та для накопичення вологи (на інфільтрацію) в грунті.
Для міських територій середнє значення H0 залежать від долі площі водонепроникних Fнепр ділянок:
Для того, щоб врахувати сток від суми рідких атмосферних опадів за проміжок часу, важно знати коефіцієнт загального стоку. Наприклад, формула для розрахунку коефіцієнта річного стоку, для умов м. Києва при β=0,5 має вигляд:
(13)
де ψрік – річний коефіцієнт стоку, що враховує сток від усіх дощів, в тому числі і малоінтенсивних, інколи майже не маючих об’єм; s0 – середнє число днів за теплий сезон, що дають дощовий сток; mr – те ж саме, що в формулі (7).
Відношення s0/mr дає середню відносну кількість дощів з дощовим стоком і складає для умов Києва при β=0,5
(14)
де H0 – шар втрат за один дощ; Hr – річний шар опадів; mr – те ж саме, що по формулі (7).
Відповідно розглянуті вище залежності більш об’єктивно описують процеси формування витрат дощових вод, що залежать від регіональних кліматичних умов, інтенсивності та тривалості дощу.
Висновки. Очевидно, що для врахування даних залежностей при розрахунку фізичних параметрів поверхневого стоку необхідно значно більша кількість вихідних даних та натурних обстежень. Зі збільшенням щільності забудови та планувальних рішень міського середовища будуть змінюватися експлуатаційні характеристики й кількість вагомих факторів, що впливатимуть на них. Отримані залежності необхідно апробувати, та оцінити практичну та економічну доцільність.
Література
References
