Определение коэффициента покрова для поверхностей стока селитебных территорий

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОКРОВА ДЛЯ ПОЧВЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СТОКА СЕЛИТЕБНЫХ ТЕРРИТОРИЙ 

Авторы: С.А. АНЦИФЕРОВ

Н.В. МАСЛОВА

Л.В. ГРЫЗУНОВА

Аннотация. В связи с постоянным ростом тарифов в области коммунального хозяйства всё более остро встаёт проблема необходимости точного расчёта объёма поверхностного стока, который должен учитывать не только ландшафтные особенности местности, но и водопоглощающие свойства грунта и покрытий. Цель настоящей работы - определить коэффициент покрова z_i для наиболее характерных типов естественных и искусственных поверхностей. Научная новизна заключается в доработке существующей методики, изложенной в «Рекомендациях ГНЦ РФ ФГУП НИИ ВОДГЕО», в частности, установлении математической зависимости значения коэффициента покрова z_i от фракционного состава грунта для определения коэффициента поверхностного стока Ψ, на котором базируются коммерческие расчёты за водоотведение дождевых и талых вод в систему ливневой канализации. 

Значительный рост тарифов в коммунальной сфере и, в частности, области отведения поверхностного ливневого стока, вызывает обеспокоенность у потенциальных абонентов, к которым относятся муниципальные и производственные предприятия, жилой сектор.

Даже в рамках городского округа Тольятти услуги различных организаций, занимающихся водоотведением, различаются почти в 4 раза. В Автозаводском районе ответственность за содержание ливневой канализации несет АО «ТЕВИС», в Центральном и Комсомольском районе - муниципальная компания АО «ПО КХ г.о. Тольятти».

По данным Администрации городского округа Тольятти тарифы за водоотведение поверхностного стока за последние 4 года выросли на 40% в АО «ТЕВИС» и 249% в АО «ПО КХ г.о. Тольятти».

Экономическая ситуация в стране не позволяет надеяться на позитивные изменения тарифов в коммунальной сфере, соответственно поиск компромиссного решения между коммунальными службами и абонентами является важным шагом к удовлетворению обеих сторон.

Ранее авторами был предложен, при участии АО «ПО КХ г.о. Тольятти», и успешно апробирован способ расчёта площадей поверхностного стока с учётом микрорельефа [1].

Ещё одним путем решения обозначенной проблемы является более точный расчёт объёма поверхностного стока, который учитывает не только ландшафтные особенности местности (микрорельеф, тип покрытия), но и водопоглощающие свойства этих поверхностей. Согласно применяемого алгоритма расчёта по [2], вид поверхности или площади стока разбит на группы, для которых применяется общий коэффициент стока Ψ_д. Данный коэффициент удобен в расчёте, однако не учитывает местные особенности почв, которые в условиях городов Поволжья весьма разнообразны и обладают большим диапазоном влагоёмкости. Если для твёрдых покрытий (кровли и асфальтобетонные покрытия) Ψ_д достаточно стабилен, то для естественных почвенных поверхностей он может значительно изменяться и зависеть от типа растительности, механических свойств и т.д. 

Настоящая работа посвящена уточнению коэффициентов покрова z_i для различных видов поверхности стока, на который опирается определение общего коэффициента стока Ψ_д.

Обследование территорий при расчёте фактического поверхностного стока в сети дождевой канализации выявило определённые недостатки методики [2], в которой не вполне детально рассмотрен вопрос о водопоглощающей характеристике поверхности. При проектировании городской системы ливневой канализации усреднённые данные водопоглощения поверхности выражены коэффициентом стока Ψ_д и определяются как средневзвешенная величина для всей площади водосбора с учетом средних значений коэффициентов стока для различного рода поверхности. В настоящее время, при заключении договоров между коммунальными службами и абонентами расчёт среднегодового количества дождевых вод W_д определяется строго по нормативу. Следует учесть, что нормативные документы [2,3], главным образом, направлены на проектирование систем канализации для обеспечения расчётной пропускной способности трубопроводов и не учитывают множество тонкостей расчёта фактического стока.

Цель работы: определить коэффициент покрова z_i для наиболее характерных типов естественных поверхностей в г.о. Тольятти.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1.  Выявить характерные типы почв и места отбора образцов на территории районов города.

2.  Провести лабораторные исследования отобранных образцов на предмет определения их физико-механических свойств.

3.  Определить коэффициент покрова z_i для различных видов поверхности стока.

В работе применялись методы исследования: системный и факторный анализ, метод экспертных оценок.

Для поверхностей водостока с растительным слоем, дорог и площадок без твёрдого покрытия применяется термин «почва» – это покровный слой, сформированный в результате совместного действия различных природных биологических и антропогенных факторов.

Доля осадков, которая превышает величину инфильтрации, расходуется на образование пленки и на заполнение бессточных неровностей на поверхности, то есть расходуется на так называемое поверхностное задержание. Идущая на поверхностный сток и перехватываемая дождеприемниками часть осадков (за вычетом потерь на перехват, испарение в период ливня, аккумуляцию в неровностях поверхности и инфильтрацию) представляет собой общий слой стока. Количество перехваченной воды зависит от характера ливня, вида и плотности растительного покрова, сезона года. Отношение объема поверхностного стока на водосборе в течение одного ливня к общему объему осадков, выпавших за время этого ливня, называется коэффициентом поверхностного стока Ψ и определяется по формуле (1)

(1)

где   z – коэффициент вида поверхности;

  q – интенсивность дождя, л/с на 1 га; 

  t – продолжительности дождя, мин.

Cеть отведения ливневого стока обслуживает территории, имеющие различные поверхности: с твёрдыми покрытиями и без них. Для упрощения расчетов обычно находят среднее значение коэффициента стока по заданной территории. Его определяют путем умножения относительной площади водосбора (с покрытием или без него) на соответствующий коэффициент. Сумма полученных значений дает среднее значение коэффициента стока [2, п.6.2.6, п.7.3].

Использование усреднённых коэффициентов значительно упрощает проектирование, особенно при новом строительстве, когда не известны точные характеристики поверхностей. При коммерческих расчётах за водоотведение возникает необходимость точного определения количества воды, поступающего в дождеприёмные колодцы. В этом случае необходимо знать, какая часть воды задерживается разными видами почв.

Научная новизна настоящей работы заключается в доработке существующей методики, изложенной в «Рекомендациях по расчету систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока селитебных территорий, площадок предприятий и определению условий выпуска его в водные объекты», разработанной ГНЦ РФ ФГУП НИИ ВОДГЕО [2], в частности, установлении математической зависимости и возможности точного расчёта коэффициента покрова z_i, для определения коэффициента поверхностного стока Ψ, на котором базируются коммерческие расчёты за водоотведение дождевых и талых вод в систему ливневой канализации.

Поскольку оценка влажности связана со многими трудностями, обусловленными неоднородностью ее распределения в почве, влиянием атмосферы, растительного покрова и других природных факторов, надежные результаты могут быть получены лишь при комплексном использовании различных методов, дополняющих друг друга [10,11].

Площадь городского округа Тольятти составляет 31 480 га, из них селитебные территории - 5 270 га (16,7%); промышленные зоны - 5 533 га (17,6 %); территории, занятые транспортной инфраструктурой - 1 030 га (3,3 %); лесопарковая зона - 8040 га (25,5 %); земли сельскохозяйственного использования - 724 га (2,3 %).

Дерново-подзолистые почвы левобережья Ставропольского района формировались под влиянием пойменных сосновых лесов на лёгких песчаных субстратах. Дерновые и выщелоченные черноземы образовались под воздействием широколиственных лесов при периодически промывном режиме. Формированию почв открытых пространств способствовала разнотравно-злаковая растительность на поверхностных суглинках. Прибрежная полоса занята аллювиальной почвой [9].

Особенностью грунтовых поверхностей в г. Тольятти является наличие обширных техногенных искусственных почв. Они образовывались в результате хаотичного перемешивания компонентов в процессе строительства, а в жилой застройке верхний плодородный слой перемещался и восстанавливался после завершения земляных работ. 

Таким образом, можно выделить следующие типы почв:

- черноземы типичные среднегумусные;

- черноземы выщелоченные;

- черноземы оподзоленные;

- пойменные (аллювиальные);

- дерново-подзолистые.

Черноземы типичные среднегумусные и выщелоченные занимают около 80% селитебной территории г. Тольятти, преобладают в Автозаводском (обозначены символом ●) и Центральном районах (обозначены символом o). В Комсомольском районе распространены песчаные и дерново-подзолистые почвы (обозначены × и *), (рисунок 1).

Рис. 1. Места отбора проб почвы в г. Тольятти

А – Автозаводской район; Ц – Центральный район; К – Комсомольский район

Большая часть дождеприёмников в городе размещена на автомобильных дорогах в жилых и промышленных секторах. Муниципальные объекты, лечебные, учебные заведения, как правило, находятся в жилой застройке. Поэтому целесообразно проводить отбор проб почв не территории этих объектов и вблизи дорог, чем и обусловлен выбор точек. Отбор проб почвы осуществлялся согласно требованиям ГОСТ [4] и Приказа [5].

Гранулометрический состав почв и почвообразующих пород характеризуется относительным содержанием в почве элементарных почвенных частиц разного размера независимо от их минералогического и химического состава и определяется массовым процентом фракций. Гранулометрический состав почв отражает содержание минеральных частиц в мелкоземе, в состав которого входят частицы менее 1 мм [6].

Классификация механических элементов почв по Н.А. Качинскому (1957 г.).

Граничные значения, мм  Название фракции  

<0,0001  Коллоиды

0,0001—0,0005  Тонкий ил

0,0005—0,001  Грубый ил

0,001—0,005  Мелкая пыль

0,005—0,01    Средняя пыль

0,01—0,05    Крупная пыль

0,05—0,25    Тонкий песок 

0,25—0,5    Средний песок 

0,5—1  Крупный песок 

1—3    Гравий 

больше 3    Каменистая часть почвы. 

Основным параметром при расчёте коэффициента поверхностного стока Ψi является коэффициент вида поверхности z_i, а интенсивность и продолжительность дождя – случайными переменными. Поэтому необходимо найти взаимосвязь коэффициента z_i с какой-либо физико-механической характеристикой почвы [2]. Значения коэффициента стока Ψi и коэффициента покрова z для разного вида поверхностей согласуются с типом почвы и очевидно с её составом. Таким образом, в качестве исходного параметра для расчёта z можно использовать гранулометрический состав почвы.

Отобранные образцы были просушены в лабораторном помещении при средней температуре +22 ^°С, влажности воздуха 42%. Просушенная почва размята в ступке, из пробы удалены посторонние включения (крупные органические остатки, мелкие камни) на сите для песка по ГОСТ 32727-2014 с квадратной ячейкой 4 мм. На рисунке 2 представлены отобранные образцы проб почвы в различных районах г. Тольятти.

           Центральный район г. Тольятти  Комсомольский район г. Тольятти

  Рис. 2. Образцы проб почвы

Гранулометрический состав образцов определен при помощи cитового метода по ГОСТ [7]. Результаты вычисления гранулометрического состава грунтов следует определять с погрешностью до 0,1 %.

Для снижения вероятности ошибок проведен анализ не менее 5 образцов из разных точек по районам города. Результаты приведены в таблице 1. Так как разброс значений фракционного состава находится в пределах 20%, то есть состав почв практически идентичен, для контроля образцы были смешаны и получен средний гранулометрический состав для каждого района г. Тольятти.

Таблица 1

Фракционный состав проб почвы по районам города

Для описания и расчета основных физико-механических параметров почвы применяется непрерывная функция распределения. Вид графика может различаться в зависимости от фракционного состава проб. Интегральная кривая отражает суммарное содержание фракций мельче определенного диаметра Q_i, и представляет собой, в общем виде, некую функцию Q=f(d) (рисунок 3). Принимая общее содержание частиц за 100%, уравнение нормального распределения (2) может быть записано как:

 (2) 

где: d – средний размер частиц, величина которого зависит от метода усреднения, мм;

  σ – стандартное отклонение распределения вокруг среднего.

По оси ординат откладывается суммарное содержание фракций в про­центах в нарастающем порядке от наименьшего диаметра к наиболь­шему. Разность ординат двух точек кривой однородности показывает, чему равно процентное содержание в почве частиц, диаметры которых находятся в пределах промежутка, соответствующего разности абсцисс этих двух точек [8]. Разбивая интегральную кривую на интервалы по оси абсцисс и откладывая соответствующие ординаты точек пересечения вертикальных линий с интегральной кривой для каждого интервала Δd_i, получается ряд интервалов ΔQ_i. Усреднённое значение ΔQ_i для оценки фракции пробы обычно выбирается около 60%.

Рис. 3. Интегральное распределение частиц образцов почвы по размерам

А – Автозаводской район; Ц – Центральный район; К – Комсомольский район

Таким образом, почвы из Автозаводского и Центрального районов можно отнести к фракциям «средний песок» (0,25 – 0,5); из Комсомольского района - к «крупному песку» (0,5 – 1) согласно классификации Н.А. Качинского.

Опираясь на данные таблицы 2 и классификации механических элементов почв, можно сопоставить значения коэффициента покрова z_i с размерами частиц почвы.

На рисунке 4 представлен график зависимости коэффициента покрова z_i от фракционного состава почвы d, построенный по экспериментальным данным. Он отражает расчётную зависимость, которая описывается уравнением (3).

   (3)

Рис. 4. Зависимость коэффициента покрова z_i от фракционного состава почвы d

1 – экспериментальный; 2 – расчётный

Таблица 2 

Значения коэффициента покрова z_i для разного вида поверхностей

Графики имеют степенную зависимость и достаточно близко подходят друг к другу, критерий Пирсона R² = 0,9959.

Используя полученную зависимость (3), можно определить значение коэффициента покрова z_i от фракционного состава грунта d для районов г. Тольятти: Автозаводской, Центральный – 0,054; Комсомольский – 0,071. Следует заметить, что расчёт проведён для поверхности, практически свободной от растительности (грунтовые дороги, площадки хранения, стоянки, неблагоустроенные территории).

Выводы.

1. В результате проделанной работы определены коэффициенты покрова z_i для наиболее характерных типов естественных поверхностей в г.о. Тольятти.

2. На основе анализа фракционного состава проб, отобранных в разных районах города, определено среднее (обобщённое) значение размеров частиц почвы d.

3. Установлено математическое соответствие и предложено уравнение, которое позволяет рассчитать коэффициент покрова z_i, при известном среднем значении размеров частиц почвы.

4. Научная новизна заключается в установлении математической зависимости и возможности точного расчёта коэффициент покрова z_i, для определения коэффициента поверхностного стока Ψ, на котором базируются коммерческие расчёты за водоотведение дождевых и талых вод в систему ливневой канализации. Это будет способствовать более точным расчетам между абонентами и ресурсоснабжающими организациями, позволит прогнозировать работу ливневой канализации, снизит вероятность подтопления территорий, особенно городских дорог и, в целом, повысит урбанистический комфорт в г. Тольятти.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.  Анциферов, С. А. Влияние изменений ландшафта на формирование ливневого стока / С. А. Анциферов, Н. В. Маслова, Л. В. Грызунова // Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура. – 2022. – № 4(23). – С. 61-69. – DOI 10.36622/VSTU.2022.23.4.007. – EDN OESFNU.

2.  Меншутин, Ю. А. Рекомендации по расчету систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока селитебных территорий, площадок предприятий и определению условий выпуска его в водные объекты. Методическое пособие / Ю. А. Меншутин, Л. М. Верещагина, А. С. Керин, Е. В. Фомичёва, А. Ю. Логунова. – Москва: НИИ ВОДГЕО, 2015. – 146 с.

3.  СП 32.13330.2012 Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85 (с Изменениями N 1, 2). – Введ. 2013-01-01. – М.: Стандартинформ, 2019.

4.  ГОСТ 17.4.4.02-2017. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. – Введ. 2019-01-01. – М.: Стандартинформ, 2018.

5.  О порядке проведения отбора проб почвогрунтов, их компонентов в целях определения их соответствия установленным экологическим требованиям / Приказ Правительства Москвы от 10 июля 2007 года N 89.

6.  Вадюнина А. Д. Методы исследования физических свойств почв / А. Д. Вадюнина, 3. А. Корчагина. – М., 1986. – 416 с.

7.  ГОСТ 12536–2014. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава. – Введ. 2015-07-01. – М.: Стандартинформ, 2015.

8.  Роул, А. Основные принципы анализа размеров частиц / А. Роул // Техническая аннотация Malvern Instruments Limited. 2009. – 12 c.

9.  Обущенко С.В., Гнеденко В.В. Анализ плодородия почв Самарской области // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 4-1. – С. 90-94; URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=6592 (дата обращения: 12.10.2023).

10.  Пупырев Евгений Иванович Комплексные решения в системах ливневой канализации // Вестник МГСУ. 2018. №5 (116). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kompleksnye-resheniya-v-sistemah-livnevoy-kanalizatsii (дата обращения: 09.10.2023).

11.  Теплых, С. Ю. Количественные характеристики поверхностного стока с железнодорожных путей / С. Ю. Теплых // Градостроительство и архитектура. – 2022. – Т. 12, № 4(49). – С. 42-51. – DOI 10.17673/Vestnik.2022.04.06. – EDN STJDUS.

УДК: 628.221