Направления адаптации систем водоотведения Санкт-Петербурга к условиям изменения климата

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс

Рублевская О.Н., директор Департамента анализа и технологического развития систем водоснабжения и водоотведения ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»;
Гвоздев Владимир Андреевич, заместитель директора Департамента анализа и технологического развития систем водоснабжения и водоотведения ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»;
Костенко Ирина Геннадьевна, начальник Управления водного баланса и производственного контроля филиала «Водоотведение Санкт-Петербурга»;
Игнатчик Виктор Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, Военная академия материально-технического обеспечения;
Игнатчик Светлана Юрьевна, д-р техн. наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет;
Кузнецова Наталия Викторовна, канд. техн. наук, ведущий инженер, ООО «Ассоциация инженеров и ученых по водоснабжению и водоотведению»

Анализ текущей ситуации

Одной из характерных особенностей эксплуатации систем водоотведения Санкт-Петербурга в последнее десятилетие является увеличившееся количество случаев затоплений урбанизированных территорий [1–4]. Это актуальная проблема не только для Санкт-Петербурга, но для других городов мира, и этим обусловлено участие ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» в проекте «Повышение адаптационного потенциала при управлении городскими водными ресурсами» (RAINMAN) по Программе приграничного сотрудничества «Россия – Юго-Восточная Финляндия» на период 2014–2020 годов (рис. 1). В рамках проекта RAINMAN, который реализуется в 2019–
2021 годах, планируется подготовить общие рекомендации по устойчивому управлению городскими водными ресурсами в условиях изменения климата.

Одной из причин увеличившегося количества случаев затоплений является то, что пропускная способность систем водоотведения оказывалась меньше притока поверхностного стока. В результате вода временно скапливается на поверхность, затапливает улицы, а иногда
и подвалы. В Санкт-Петербурге имеется 18 потенциальных зон затоплений [1], проявляющихся не одновременно. В Москве их количество значительно выше. Например, по данным ГУП «Мосводосток», 27 июня 2015 года в столице одновременно зафиксировано 116 подтоплений [4]. Имеется много причин, в связи с которыми происходят такие явления. Их можно разделить на две группы. К первой (организационно-производственной) можно отнести ошибки проектирования, значительный возраст сетей, аварии, прием неорганизованного притока и др. Полностью их исключить не представляется возможным, т. к. они (например, аварийные ситуации) носят случайный характер. При этом данные причины не играют принципиальной роли, поскольку их последствия устраняются эксплуатацией с применением доступных инженерных мер.

Ко второй группе причин (системного характера) следует отнести несовершенство нормативно-методической базы, с применением которой обосновываются принципиальные проектные решения при проектировании тоннельных канализационных коллекторов и сетей водоотведения.

Степень несовершенства нормативной базы для проектирования тоннельных общесплавных коллекторов проиллюстрирована на примере правобережного бассейна водоотведения Санкт-Петербурга. Режим его работы характеризуется, с одной стороны, высокой степенью фактической неравномерности поступления сточных вод на очистные сооружения (рис. 2), а с другой – требованиями к стационарности расходов сточных вод, поступающих на очистку.

Рисунок 2. Пример неравномерного потока сточных вод, поступающего на главную насосную станцию правобережного бассейна водоотведения в течение года: 1 – изменение во времени расходов сточных вод, поступающих из общесплавной системы водоотведения; 2 – минимальное значение расходов;
3 – максимальное значение расходов; 4 – расчетная производительность главной насосной станции; 5 – максимальное значение притока, при котором достигается требуемая степень очистки сточных вод

В результате осуществляется вынужденное «ручное» регулирование (уменьшение) притоков сточных вод на главные насосные станции, подающие их на очистку. Альтернативы существующему методу эксплуатации нет, поскольку увеличение расчетной производительности очистных сооружений недопустимо, т. к. в периоды сухой погоды снизится выживаемость биоценоза активного ила из-за нехватки органики, азота и фосфора в объемах, необходимых для его жизнедеятельности.

Таким образом, по факту система тоннельных канализационных коллекторов выполняет две функции: транспортировку сточных вод на очистные сооружения и их аккумулирование с целью выравнивания расходов стоков.

В условиях, когда строительство специальных регулирующих резервуаров большого объема в Санкт-Петербурге практически реализовать очень сложно, логичным является проектирование коллекторов с резервом по объему. Однако нормы проектирования требуют обратного – уменьшения расчетной производительности при больших значениях площадей водосбора. Например, если определять по существующим нормам [5] расчетный расход главного канализационного коллектора северной части Санкт-Петербурга, то к результату необходимо применить поправочный коэффициент 0.55.

В то же время анализ распределения осадков по территории города показывает, что наряду с увеличившейся частотой ливневых дождей и их неравномерностью одновременно возросли и площади выпадения дождей. Следует отметить, что эта проблема характерна только для Санкт-Петербурга, поскольку в других городах площади водосборов коллекторов значительно меньше (например, для Москвы максимальное значение достигает 2 тыс. га). Поэтому данную проблему необходимо решать на местном уровне путем разработки местных региональных документов.

Степень несовершенства нормативной базы для проектирования сетей поверхностного стока определяется тем, что для их гидравлического расчета уже около ста лет применяется метод предельных интенсивностей [6], имеющий ряд недостатков.

Первый недостаток заключается в том, что он имеет ограниченную область применения, поскольку некоторые авторы [7–11] доказали, что он справедлив лишь при выполнении трех условий [9]: площади стока, прилегающие к участкам коллектора, пропорциональны длинам этих участков; скорости течения воды одинаковы на всех участках коллектора; характер застройки по длине коллектора не меняется, т. е. коэффициент стока остается постоянным.

Проведен анализ [12] степени влияния этих ограничений на результаты гидравлического расчета. В результате установлено, что применение метода «предельных интенсивностей» в рамках действующих строительных правил может привести к занижению (в 1,2–1,7 раза) расчетных расходов сточных вод. Поэтому подтопление территорий возможно при дождях, интенсивности которых не превышают расчетные значения.

Второй недостаток заключается в том, что методом предельных интенсивностей возможно определить только максимальные значения расходов воды на участках сетей. При этом динамику изменения расхода во времени оценить невозможно. Это затрудняет выполнение расчетов по определению требуемых объемов регулирующих емкостей и проведение гидравлических расчетов сетей, к которым подключены такие емкости.

Третий недостаток заключается в применении устаревших климатических параметров расчетных дождей, которые в действующий нормативный документ СП 32.13330.2018 [5] практически без изменений перенесены из нормативного документа СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения», утвержденного 35 лет назад. В результате, в том числе и по причине увеличившегося количества и интенсивностей ливневых дождей, в городах России увеличилось число локальных подтоплений [1–4]. Такое положение не является случайным, т. к. после ликвидации Ленинградского института Академии коммунального хозяйства, разработавшего основы теории в данном направлении, в России нет научно-исследовательской организации, способной выполнить актуализацию климатических параметров в масштабах всей страны. Об этом свидетельствуют результаты разработки сводов правил 2012 и 2018 годов.

Направления адаптации систем водоотведения

Целесообразно разделить работы по предотвращению подтоплений территорий города по двум направлениям. Первое направление предусматривает внедрение инженерных мер, направленных на повышение надежности и эффективности эксплуатируемых систем водоотведения [13–14], а второе – совершенствование строительных правил [12, 13], исключающих создание проблемных ситуаций в будущем.
В рамках второго направления, в первую очередь, необходимо решить две задачи. Первая связана с актуализацией климатических параметров, применяемых на этапе оценки расчетных интенсивностей дождей. Ее надо решать на уровне Санкт-Петербурга, где уже накоплена первичная информация о выпадении дождей, достаточная для актуализации местных нормативных климатических параметров [13]. Вторая задача связана с совершенствованием известного метода гидравлического расчета сетей водоотведения. Суть задачи сводится к разработке универсального метода, который можно будет с высокой достоверностью применять в условиях неравномерного нарастания притоков по длине коллекторов и наиболее неблагоприятных ходов выпадения дождей.

Заключение

1.Для гидравлического расчета сетей водоотведения поверхностных сточных вод и тоннельных коллекторов применяется метод «предельных интенсивностей», разработанный около 100 лет назад, объединивший в себе метеорологическую и гидравлическую составляющие.
2. Несовершенство метеорологической составляющей – в устаревших климатических параметрах расчетных дождей, полученных в 1970-х годах, которые в действующий нормативный документ СП 32.13330.2018 практически без изменений перенесены из нормативных документов прошлого века. Суть проблемы заключается в том, что требование СП 32.13330.2018 по использованию в качестве исходных данных результатов обработки многолетних записей не может быть реализовано в каждом регионе из-за отсутствия самопишущих дождемеров местных метеорологических станций или по причине небольшого объема накопленной информации.
3. Несовершенство гидравлической составляющей состоит в ограничении области применения только равномерным нарастанием водосборных площадей по длине коллекторов ограниченной площади водосбора. На практике это требование не соблюдается и приводит к занижению расчетных расходов, приводящих к снижению в 1,2–1,7 раза пропускной способности сетей отведения поверхностного стока и коллекторов.
4. Одним из направлений решения указанных проблем является внедрение разработанного в Санкт-Петербурге ускоренного метода актуализации климатических параметров, позволяющего сократить с 20 до 5 лет период накопления исходной информации при одновременном увеличении достоверности их оценки. Для этого необходимо разработать и утвердить на уровне регионального методического документа «Расчетные климатические параметры Санкт-Петербурга для проектирования сетей водоотведения поверхностных сточных вод и методика их применения».

Список использованных источников
1. Серебрицкий И.А. Опыт Санкт-Петербурга в вопросах управления адаптацией к изменениям климата и смягчения антропогенного воздействия на климатическую систему / И.А. Серебрицкий – Текст : электронный //Экологический портал Санкт-Петербурга, 2020, http://www.infoeco.ru/index.php?id=8780
2. Изменение климата на территории Санкт-Петербурга в контексте глобального потепления. Катцов В.М., Школьник И.М., Акентьева А.А., Ефимов С.В., Мещерская А.В., Пикалева А.А. Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова, Росгидромет / Охрана окружающей среды, природопользование и обеспечение экологической безопасности в Санкт-Петербурге в 2017 году, ежегодный обзор / под ред. И.А. Григорьева, И.А. Серебрицкого – СПб. ООО «Сезам-Принт», 2018, с. 78–84.
3. Павловский А.А. О ливневых затоплениях некоторых территорий Санкт-Петербурга при современных изменениях климата // Общество. Среда. Развитие, 2013, вып. 2, с. 251–256.
4. Ливни вызвали в Москве более сотни подтоплений. https://cont.ws/@news/96754.
5. СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и сооружения».
6. Горбачев П.Ф. Методы расчета ливневого стока / П.Ф. Горбачев – «Власть Советов» при Президиуме ВЦИК, Москва – 1937.
7. Сурин А.А. Учет емкости сети при расчете дождевой канализации. «Коммунальное дело», №5, 1930.
8. Надысев В. С. Расчет дождевой и общесплавной канализации по методу «критических приливных площадей» / Типография №2 Управления издательств и полиграфии Ленгорисполкома, Ленинград – 1949, 95 с.
9. Курганов А.М. Закономерности формирования и движения дождевых стоков в безнапорных трубопроводах: диссертация доктора технических наук: 05.23.04. – Ленинград – 1980, 433 с.
10. Молоков М.В., Шигорин Г.Г. Дождевая и общесплавная канализация / М.В. Молоков, Г.Г. Шигорин – издательство Министерства коммунального хозяйства РСФСР, Москва – 1954.
11. Алексеев М.И., Курганов А.М. Организация отведения поверхностного (дождевого и талого) стока с урбанизированных территорий / М.И. Алексеев, А.М. Курганов: Учеб. пособие – М.: Изд-во АСВ; СПб.: СПбГАСУ. – 2000.
12. Волков С.Н., Житенев А.И., Курганов Ю.А., Костенко И.Г., Игнатчик В.С., Игнатчик С.Ю., Кузнецова Н.В., Сенюкович М.А. Исследование механизмов дождевого стока // Водоснабжение и санитарная техника, 2020, №10, с. 2–10.
13. Волков С.Н., Житенев А.И., Курганов Ю.А., Костенко И.Г., Игнатчик В.С., Игнатчик С.Ю., Кузнецова Н.В., Сенюкович М.А. Обоснование метода оценки климатических параметров ливневых дождей по данным комплекса осадкомеров // Водоснабжение и санитарная техника, 2020, №7, с. 2–9.
14. Игнатчик С.Ю., Кузнецова Н.В., Феськова А.Я., Сенюкович М.А. Результаты исследования напорных режимов канализационных коллекторов. Вода и экология: проблемы и решения, 2019, №4 (80), с. 88–95.

Создать комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

English EN Finnish FI Russian RU
Размер шрифта
Контраст