Большая вода в городе
Сильные дожди летом этого года ещё раз показали новосибирцам, как и жителям многих других городов России, насколько важна ливневая канализация. Со ссылками на некоторый опыт работы по проблемам ливнёвки мне хотелось бы объяснить, насколько она сложна.
Повод взяться за эту тему появился у меня несколько лет назад, когда мне пришлось заниматься схемой ливневой канализации Томска. Этот вопрос вновь возник сейчас, когда такую же работу мы делаем для одного из крупных городов Европейской России.
Сначала остановлюсь на общей характеристике того, что представляет собой ливневая канализация. Это четыре сети водных потоков:
— поверхностные стоки, идущие по рельефу местности;
— просачивание дождевой или талой воды в почву;
— открытые водоводы (лотки), частично учитывающие рельеф;
— подземные коммуникации (трубы), ещё меньше следующие рельефу, а иногда прокладываемые безотносительно поверхности.
Сети ливневой канализации делятся на автономные, совмещенные и полуавтономные. Автономные сети не связаны с общей (бытовой) канализацией. Совмещенные имеют единую сеть с ней, общие водоспуски и очистные сооружения. Полуавтономные имеют выходы на бытовую канализацию в ограниченном числе точек. Ливневая канализация Новосибирска относится как раз к этой последней категории. В полуавтономных системах сосуществуют как разрешённые (правильнее сказать, привычные, поскольку официальных разрешений, как правило, нет), так и неразрешённые врезки ливневой канализации в бытовую.
В России основная доля избавления города от большой воды — поверхностные стоки. В среднем ливневая канализация в крупных городах России охватывает не более 10—15% городской территории. Основная часть ухода дождевой и снеговой воды идёт по поверхности. Поэтому то, что происходит с поверхностными стоками, — самый важный элемент моделирования и проектирования ливневой канализации.
Цифровая модель рельефа
Все города расположены на пересечённой местности, где в пониженных местах собирается вода. Они проходят по многим ландшафтным резервуарам (водосборам), ограниченным высотами (хребтами). Водосборы делятся на два уровня – верхний, бассейны, и нижний, называемый фациями. Каждый водосбор характеризуется несколькими параметрами: площадью, ёмкостью, средним коэффициентом просачивания в почву, а также наличием или отсутствием внутри него объектов двух других сетей (лотковой и трубной).
В Томске, например, бассейнов поверхностного стока — 6, а водосборов нижнего уровня (фаций) — 194. Сколько их в Новосибирске, неизвестно в связи с отсутствием цифровой модели рельефа (ЦМР) города, по которой можно было бы вести расчёты поверхностных стоков.
Сеть открытых лотков также связана не с общим рельефом, а с рельефом дорожной сети, поскольку основная часть лотков идет вдоль улиц, между проезжей частью и тротуаром.
Трубная сеть аналогична обычной (бытовой) канализации и почти не учитывает рельефа, имеет собственные уклоны и соединения потоков. Во многих случаях эта сеть самотечная, но есть сети с насосами, что сближает её по структуре с другими коммунальными сетями. Но ливневая канализация существенно сложнее, чем просто потоки в сети труб. И сложность определяется тем, что дождевая и снеговая вода уходит из городов по поверхности.
Модели ливневой канализации, расчёты критических режимов
Расчёты режимов ливнёвки ведут по специальной компьютерной программе, называемой «Электронная модель сети ливневой канализации». Таких программных пакетов несколько. Но все они — частные варианты моделей трубной канализации или сети водоснабжения. Нет хороших программных средств для моделирования поверхностных стоков и совместного функционирования четырёх систем ливневой канализации. При моделировании приходится привлекать другие программные средства, дорабатывать существующие.
В этой модели рассчитываются скорости движения воды в трубах и лотках, расход этой воды на участках между колодцами, давление и многое другое. Принципиальным в моделях является вычисление скоростей движения воды по идущим вниз под уклон трубам ливневой канализации.
В большинстве стран принято ограничение на минимальный стандарт уклона — примерно 7 мм на 1 метр. У нас этот норматив действует для труб диаметром от 20 см и выше. Если уклон мал, то высока вероятность того, что начнут оседать грязь и песок, начнётся заиливание. Если уклон большой — возможен излив воды на поверхность. Как это происходит во время сильного ливня, можно увидеть в Новосибирске у выхода Бугринского моста на левый берег Оби или на площади Труда.
По модели можно вычислить те участки ливневой канализации, где высока опасность заиливания или излива воды на поверхность, можно рассчитать место, где встретятся ливневые волны, и многое другое. Когда уклоны разные, на одном участке ливнёвки вода подхватывает осевшие частицы, а на другом эти «подхваченные» частицы оседают. Определение потенциальных зон заиливания обязательно для поддержания ливневой канализации в рабочем состоянии. В этих зонах необходимы регулярные мероприятия по очистке внутренней поверхности труб и удалению накопившихся осадков.
Характерной особенностью российских городов является то, что ливневая канализация строилась в них без учёта сети поверхностных стоков. Поэтому решётка ливневой канализации может быть расположена не в самой нижней точке водосбора, а в начале склона — либо удачно, либо не очень удачно. Чаще всего встречается именно второй, не вполне удачный вариант. Это случается по той причине, что предпроектная разработка и последующее проектирование ливневой канализации фактически до сих пор шли лишь с приблизительным учётом рельефа при отсутствии ЦМР, дающей точное описание склонов и вершин.
В Томске из 194 водосборов нижнего уровня (фаций) только 76 (39%) имеют связь (стыковку) с лотковой и трубной ливневой канализацией. Остальные 118 связаны между собой только поверхностными перетоками. Это увеличивает значимость первой сети (поверхностный сток), но в то же время усложняет расчеты притока воды в трубную ливневую канализацию при дожде по конкретным дождеприёмникам.
Пробки на улицах города — лишь малый вред от большой воды
Сказать такое человеку, который стоит в пробке на затопленной дороге, — означает нарваться на неприятности. Но воспользуюсь тем, что я не рядом с ним, и расскажу об основном ущербе, который наносит большая вода в городе.
Чтобы здания в городе стояли долго, их фундаменты должны находиться в сухом состоянии. Если фундамент оказывается в воде, то срок его службы во много раз меньше, а на его ремонты приходится тратить намного больше денег. Затапливаемый фундамент сокращает жизнь здания примерно в три раза, а это — многократное увеличение расходов на ремонты и переселения.
Почему же отведению воды от фундаментов зачастую уделяется очень мало внимания? Причин тому много, но задумываться лучше над двумя из них. Причина первая: очень сложно сравнить деньги, которые нужно израсходовать сейчас на отведение воды от фундамента, с деньгами, которые, возможно, придётся потратить на дополнительный ремонт дома.
Вторая причина — психологическая, основа первой. Практически никто не в состоянии оценить то, что будет через десятки лет, когда придётся вновь ремонтировать дом. Только очень немногие способны видеть будущее, как настоящее.
Проехать по затопленной дороге хочется сейчас и немедленно, а то, что твой дом развалится не через 60, а через 30 лет, — это соотношение кажется далёким и несущественным.
Мы сами четырежды виноваты
Затопление улиц города приносит ущерб по многим направлениям.
Первая часть вины уже обсуждена — в большинстве российских городов нет не только нормальной схемы ливневой канализации, но и цифровой модели рельефа, которая необходима для её разработки.
Вторая часть вины состоит в застройке города, при которой не учитываются поверхностные стоки и лотковая канализация. Только в Москве и Санкт-Петербурге при выдаче разрешения на строительство объекта нужно согласовать те изменения всех трёх составных частей удаления дождевой и снеговой воды, которые произойдут после введения объекта строительства в эксплуатацию.
Поэтому в большинстве городов России значительная часть новостроек преграждает путь поверхностным стокам. Во время работы над ливневой канализацией Томска исследователи томских университетов и научных организаций прямо говорили нам, что затопления в городе организовали сами люди: застройкой, не учитывающей потоки воды по поверхности городской территории во время таяния снега или после сильного ливня.
Город строится и расширяется, и это сокращает возможности естественного ухода дождевой воды. Дело не только в зданиях, преграждающих путь потокам воды. Заасфальтировали двор, а раньше вода просачивалась сквозь землю. Проложили дорогу, чтобы её не заливало, подняли повыше дорожное полотно. Дорога стала дамбой, сдерживающей дождевые воды. Зачастую именно поднятые дороги становятся причиной подтоплений во время паводков. Классический пример в Новосибирске — дорога на Толмачёво.
Дороги и улицы проектируют одни люди, а ливневую и бытовую канализацию — другие. Не всегда получается так, что одни учитывают результаты проектирования других. Задача должна решаться просто: не принимать решения дорожников, если они могут ухудшить жизнь города.
Третья часть вины — отсутствие понимания, что когда большая часть территории города заасфальтирована или забетонирована, то вода, которая ранее уходила в землю, теперь вливается в потоки, которые идут по поверхности. На газоне или вспаханной земле поверхностный сток составляет лишь 10% выпавшей воды. 40% испаряется, и половина уходит в землю. В плотной городской застройке с заасфальтированными дворами 55% выпавшей воды — поверхностные стоки, испаряется 30%, и лишь 15% уходит в почву. Эти сдвиги в структуре ухода воды должны учитываться в развитии города.
Наконец, четвёртая часть — слабое внимание к деревьям в городе, которые активно помогают ливневой канализации. Чем больше городских деревьев, тем меньше вероятность затоплений. Каждое дерево «выпивает» много воды. Если рассматривать деревья старше пяти лет, то клён удаляет из города от 7,5 до 8 кубометров воды за сезон, акация — от 8 до 10 кубометров. Больше всего воды потребляет тополь: от 50 до 60 кубометров воды. При продолжительности сезона в 200—250 дней это означает, что каждые сутки тополь удаляет из города до 250 литров воды.
Правда, расположение деревьев в одном случае — удачное, когда они по максимуму извлекают воду из почвы, но в другом — приходится их поливать, что не облегчает, а добавляет работу ливневой канализации.
О загрязнении
Многие со мной начинают спорить, едва стоит высказать соображение, что слив из унитаза менее вреден для окружающей среды, чем дождевая вода с территории города. Действительно, мало кто делает на улице то, что принято делать в туалете. Но чище от этого ливневые воды не становятся. Человек наступил на нечто, оставленное собакой, брошенное привередливым ребенком, на пятно дизельного топлива. И его подошвы пошли разносить полученное. Рядом с ним кто-то смачно высморкался на тротуар, притормозила машина, из которой на асфальт капает машинное масло, — всё это идёт в дождеприёмники. На улицах и тротуарах, на крышах домов оседает гарь и выхлопы машин — всё это идёт туда же. Поскольку основной способ удаления воды — поверхностные стоки, то по дороге дождевая вода вбирает в себя почти все элементы таблицы Менделеева.
В итоге с гектара городской территории уносится поливом и дождем около 2,5 тонн всяких взвесей в год. Из них 400 кг минеральных солей, 40 кг нефтепродуктов, 6 кг азотных соединений и полтора килограмма фосфорных. Это мы говорим о большом, но обычном городе, где нет особо вредных промышленных отходов. Такие отходы добавляют проблем.
В силу особой химической структуры ливневых вод, прошедших по городской территории, состав очистных сооружений вынужденно должен быть более сложным.
Как сделать, чтобы стало хорошо и сухо
После ознакомления со сложностями, связанными с ливневой канализацией, становится понятно, насколько комплексными должны быть решения. Необходимо добиться согласованности действий различных подразделений городской администрации. Одни подразделения дают разрешения на место размещения зданий, другие отвечают за озеленение. Все они должны работать так, чтобы снизить вероятность подтоплений территории города.
Вероятно, что нормальная ливневая канализация в городе — не единственная проблема, какую нужно решать комплексно. Но каждый раз, когда мы останавливаемся на городских дорогах во время ливня, нужно держать в голове, что проблему затоплений просто не решишь. Должна быть организована интеграция деятельности различных подразделений органов управления городом и постоянный контроль за реализацией необходимых мер.
Объективно обусловленное отсутствие единой властной структуры, отвечающей за предотвращение затоплений, дополняется тем, что ни одна частная организация не способна решить все проблемы, перечисленные выше. Поэтому город должен разделить общую проблему создания эффективной ливневой канализации на решение составляющих её задач. Так, цифровая модель рельефа, необходимая для проектирования всех частей ливневой канализации, вполне может быть поручена Сибирскому государственному университету геосистем и технологий, который уже сделал ЦМР нескольких участков городской территории за счёт собственных ресурсов, то есть даром.
Работу по установлению индексов просачивания воды в почву блестяще может выполнить Институт гидродинамики СО РАН, обладатель лучших в мире математических моделей просачивания. Третьему исполнителю должна достаться оценка эффективности извлечения воды из почвы городскими насаждениями, и так далее. Сложную проблему ливнёвки можно решать только по частям.
Юрий Воронов
