Технические решения по использованию поверхностного стока от водонепроницаемых покрытий для полива озелененных элементов жилой застройки



В статье представлены результаты исследования по использованию части поверхностного стока на полив зеленых насаждений в непосредственной близости от места их образования. Выполнены расчеты и подбор основного оборудования технологической схемы. Построена балансовая схема (по концентрациям).

Ключевые слова: полив, поверхностный сток, озеленение, среда обитания, городская застройки.

Зеленые крыши — современный инструмент для создания комфортной и качественной городской среды, учитывающий множество потребностей и решающий часть проблем населенных мест. Их часто относят к направлениям устойчивого развития территории городской застройки.

При этом, устойчивое развитие территории городской застройки согласно Ст. 1 Градостроительного кодекса РФ подразумевает обеспечение при реализации градостроительной деятельности безопасности и благоприятных условий жизнедеятельности человека, предотвращение негативного влияния хозяйственной и другой деятельности на окружающий мир, а также обеспечение охраны и адекватного применения природных ресурсов, учитывая интересы будущих поколений.

Примеры реализации зеленых крыш (рис. 1) могут служить проекты стран Европы (дом «Лесная спираль» в Германии; ТРЦ «Zorlu Center» в Стамбуле, Турция), Азии (отель «Marina Bay Sands», Сингапур; многофункциональный общественный центр в Чунцине, Китай), США (калифорнийская академия наук в Сан-Франциско; конференц-центр в Ванкувере, Канада) и России (многофункциональный комплекс «Аэропорт Сити» и элитный жилой комплекс «Диадема» в Санкт-Петербурге).

Рис. 1. Примеры зеленых крыш: а) дом «Лесная спираль» в Германии; б) многофункциональный общественный центр в Чунцине, Китай; в) калифорнийская академия наук в Сан-Франциско; г) многофункциональный комплекс «Аэропорт Сити» в Санкт-Петербурге

Дождевые сточные воды (или поверхностный сток) — перспективный ресурс, который должен быть использован грамотно, экономично и экологично в пределах городской застройки. Часть стока допустимо использовать повторно, так как качественно она относится к категории относительно чистых, например, стоки с серых кровель (с водонепроницаемым покрытием из полимерных мембран, битумов и мастик). Но сейчас дождевые воды с таких видов поверхностей преимущественно удаляются на очистные сооружения в общем потоке со всеми другими видами поверхностного стока. При этот происходит увеличение объемов отводимых по сети трубопроводов и очищаемых стоков на очистных сооружениях, что приводит к увеличению диаметров, производительности оборудования, задействованного в процессах водоподготовки. В свою очередь это сказывается на итоговой стоимости инженерной системы и её обслуживания.

В связи с этим, актуальным направлением становится сбор и повторное использование поверхностного стока для полива зеленых насаждений зданий и сооружений городской застройки [1, 2, 3]. В данной работе рассмотрены количественные и качественные характеристики систем с очисткой и повторным использованием поверхностного стока с серых крыш для полива озеленения в пределах квартала жилой застройки. Представлен комплекс мероприятий по обслуживанию и поддержанию работы данной системы и сопутствующего оборудования.

В качестве исходного объекта проектирования выбраны три квартала ЖК «Дивный квартал у озера» в городе Тюмень (рис. 2).

Рис. 2. Генеральный план жилого квартала

Проект включает в себя 3 очереди. Проект состоит из 12 домов с секциями от 5 до 23 этажей. Дополнительным элементом данной проекта являются стилобатная часть, находящаяся над подземной парковкой и приподнятая над тротуаром и огражденная кустарниками и деревьями. Так же в проекте спроектированы эксплуатируемые зеленные кровли, предназначенные для террас квартир и коммерческих помещений. Жилой комплекс спроектирован в 2023–2024 году, на данный момент ведется строительство и ввод в эксплуатацию его частей.

В таблице 1 представлена характеристика видов покрытия, представленных на рассматриваемом объекте. Площадь застройки составляет 2,61 га, включая 0,26 га озеленения, в состав которого входят зеленые эксплуатируемые крыши и стилобаты.

Таблица 1

Виды и площади покрытий кварталов

№ п/п	Виды покрытия	Общая площадь, га
		в га	в %
1	Кровли серые	0,61	23
2	Газоны, стилобаты и зеленые кровли	0,19+0,07	10
3	Асфальтобетонные покрытия	1,54	60
4	Щебеночные покрытия	0,2	7
	Итого:	2,61	100,0

Зеленые крыши и зеленые стилобаты над подземными парковками решают не только вопрос озеленения и благоустройство участка, но и способствуют уменьшению количества поверхностного стока с данной территории, за счет инфильтрации и удержании воды в почве, испарения с поверхности почвы и растений, и поглощения воды растениями.

Для дополнительной подпитки растений необходимо использование питьевой воды из общедомового хозяйственно-питьевого водопровода, что повышает эксплуатационные издержки данных сооружений. Эту проблему можно решить, если использовать для полива озеленения в пределе участка относительно чистые воды с поверхности серых кровель.

Таким образом, предлагаемое техническое решение по отведению и очистке поверхностного стока с проектируемой территории будет происходить по двум основным направлениям:

– с обычных кровель вода с апреля по август будет собираться в резервуары для полива зеленых кровель и зеленых насаждений на территории жилых комплексов. В осенний период резервуар опорожняется перед зимним сезоном, а дождевая вода с обычных кровель сбрасывается в общую систему отведения поверхностного стока в периоды без дождей. Тем самым исключается застой воды в резервуаре в период отсутствия полива и снижаются расчетные (максимальные секундные) расходы в период дождей за счет сбора стока с кровель и опорожнения резервуаров в благоприятный период в общую систему отведения поверхностного стока;

– основная система отведения поверхностного стока, в которую поступают поверхностный сток со всей остальной территории. Происходит отведение за пределы участка, отстаивание в аккумулирующем резервуаре с последующей очисткой на локальных очистных сооружениях (ЛОС) и сброс очищенных вод в искусственный рекреационный водоем.

Важной составляющей предлагаемой схемы является регулирующий резервуар [4], объем которого назначается, исходя из количества дождевых осадков (таблица 2). Расчетный период накопления: март (талые воды) и апрель…август (дождевые воды). Период вегетации растений в Тюмени приходится так же на май…сентябрь. Талые воды в период таяния попадают в резервуар, и позже резервуар опорожняется в общую систему отведения поверхностного стока в благоприятный период — в период минимального расхода в системе.

Среднегодовой объем дождевых талых вод , стекающих с селитебных территорий, определяется по формулам:

(1)

(2)

где — слой осадков, мм, за теплый период года для расчетного периода с апреля по октябрь и за холодный период года соответственно, определяется по данным СП 131.13330 «Строительная климатология»; общий коэффициент стока дождевых и талых вод;

площадь стока коллектора, га; коэффициент, учитывающий уборку снега, в данном случае примем равным 1.

При этом будет проводится полный сбор дождевых осадков для полива, а талые воды будут отводится с усредненным расходом на очистные сооружения через общую систему отведения поверхностного стока.

Согласно Постановлению от 28 ноября 2022 года N 198-пк «Об утверждении Порядка озеленения территории города Тюмени, благоустройства (в том числе создания) озелененных территорий города Тюмени» принята периодичность полива газонов — раз в 7 дней по 35 литров на 1 м ³ (с мая по сентябрь: 123 дня / 7 = 17 поливки), полив для деревьев составляет 3 поливки по 40 л на 1 дерево за сезон. Тогда потребность зеленых насаждений в воде:

(3)

Таким образом при полном сборе воды и вторичном ее использовании почти полностью перекрывается потребность в воде для полива озеленения жилых кварталов. Излишки воды отводятся в общую систему сбора поверхностного стока. Для накопления воды подберем резервуар на максимальное месячное количество осадков в июле:

где самый большой слой осадков, мм, за теплый период выпадающий на данную территорию в течении месяца, данные получены на сайте weatherspark.com [5] и представлены в таблице 2.

Таблица 2

Среднемесячное количество дождевых осадков в период январь…декабрь [5].

Месяц	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Количество осадков, мм	0,2	0,4	4,6	20,0	42,6	44,4	46,2	40,6	40,7	20,9	6,0	0,9

По результатам, принято три резервуара вместимостью 75 м ³ , у каждого квартала жилой застройки должен быть свой резервуар для сбора воды и полива. Резервуар горизонтальной БиоПроект — НР75 будет располагаться под землей в пределах участка застройки или, при технической возможности, в технических помещениях на территории паркинга, в технических помещениях на территории жилого комплекса. Чертеж резервуара представлен на рисунке 3.

Рис. 3. Резервуар горизонтальный пластиковый БиоПроект- НР75: 1 — корпус; 2 — колодец; 3 — крышка колодца; 4 — вентиляция угловая; 5 — лестница; 6 — подводящий патрубок; 7 — отводящий патрубок

Для подачи воды требуется насосное оборудование для подачи воды до точки подачи на отметку кровли 1-го этажа. Напорный трубопровод также допустимо использовать для опорожнения и очистки системы.

Согласно СП 30.13330, расход воды из поливочного крана равен 0,3 л/с = 1,08 м ³ /ч , высота напора от пола подземного паркинга до кровли

1-го этажа составляет Н = 10 м (+ потери напора по длине для напорных полиэтиленовых труб с внутренним диаметром 25 мм и длиной 40 м = 0,87 м). Принимаем 1 рабочий и 1 резервный погружной насос ANTARUS НКД-50–7–10–0,75–1ПТ для каждого резервуара. Характеристики насоса и рабочая точка представлены на рисунке 4.

Рис. 4. Рабочая характеристика насоса ANTARUS НКД-50–7–10–0,75–1ПТ

Также необходимо учитывать аспекты качества и особенности очистки поверхностного стока с серых крыш [6]. Количество загрязняющих веществ, содержащихся в сточных водах, поступающей с территории кварталов, определено требованиями СП 32.13330. Значения представлены в таблице 3.

Таблица 3

Значения концентраций в дождевом и талом стоках для различных участков водосборных поверхностей селитебных территорий

Тип застройки	Дождевой сток			Талый сток
	Взвешенные вещества, мг/дм 3	БПК5, мгО 2 /дм 3	Нефтепродукты, мг/дм 3	Взвешенные вещества, мг/дм 3	БПК5, мгО 2 /дм 3	Нефтепродукты, мг/дм 3
Современная жилая застройка	650	40	12	2500	50	20
Кровли зданий и сооружений	<20	<10	0,01–0,7	<20	<10	0,01–0,7

Согласно нормативной документации, поверхностные стоки с кровель чище по отношению к стокам с остальных поверхностей жилой застройки в пределах данных кварталов. Учет нормативных концентрации загрязняющих веществ в сбрасываемых в водоем очищенных вод, согласно Постановления Правительства РФ от 15.09.2020, № 1430 «Об утверждении технологических показателей наилучших доступных технологий в сфере очистки сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений или городских округов» представлены в таблице 4. Категория водоема для сброса очищенных поверхностных вод — В. Также в таблице приведены концентрации загрязняющих веществ на входе и выходе, а также эффект от очистки поверхностного стока в аккумулирующем резервуаре.

Таблица 4

Показатели концентраций загрязняющих веществ

Загрязняющие вещества	Концентрации загрязняющих веществ, мг/л
	сбросе из очистных сооружений в водоем категории В	дождевой сток и талые воды
		на входе С вход , мг/л	на выходе С выход , мг/л	эффект очистки Э тр , %
Взвешенные вещества	15	≈ 20	0	100
Нефтепродукты	2	≈ 0,7	0	100
ХПК	60	не определялись
БПК 5	12	≈ 10	0	100
Фосфор фосфатов	1	не определялись

В аккумулирующем резервуаре происходит гидравлическое отстаивание воды от взвешенных веществ, органики и задержание пленок нефтепродуктов. В конструкцию аккумулирующего резервуара включены пескоуловители в виде решетки с прозором 2 мм, нижняя стенка (высота 1/2 высоты резервуара) для удержания взвешенных частиц и осадка, и верхняя стенка (высота 1/3 резервуара) для улавливания пленок нефтепродуктов, находящихся на поверхности воды. После прохождения полного цикла очистки данная вода близка к природной и пригодна для полива. Балансовая схема по движению воды от сооружения к сооружению приведена на рисунке 5.

Рис. 5. Принципиальная балансовая схема установки (с концентрациями загрязняющий веществ на входе С _вход и выходе С _выход из резервуара)

В качестве дополнительных мер водоподготовки можно предусмотреть УФО-установку, встроенную в корпус резервуара на выпуске, для уничтожения бактерий и патогенов, болезнетворных для растений и организмов, находящихся в почве. Комплекс поддерживающих мер включает очистку и проверку резервуара в сезон активного таяния снега и пролива дождей. Очистку резервуара и сброс воды рекомендуется проводить в конце сезона (сентябрь), для исключения застоев воды и засоров от таких вод и осадка сточных вод.

По данным, представленным выше, можно сделать вывод о эффективности данной системы для снижения издержек содержания и эксплуатации систем зеленых крыш и зеленых стилобатов в пределах жилой застройки.

Эффект системы достигается за счет:

– бесперебойности системы полива из образующихся запасов в границах жилого квартала;

– снижение нагрузки на квартальную систему отведения поверхностного стока;

– очистка поверхностных стоков перед сбросом в окружающую среду;

– экологичное и экономное использование природных ресурсов

При этом необходимо учитывать, что требуются определенные операционные затраты, обусловленные эксплуатацией дополнительного оборудования (резервуар, насосное оборудование и их обслуживание).

Литература:

1. Иванюшин Ю. А. Зеленые крыши как элемент городской среды и их влияние на дождевые системы водоотведения / Ю. А. Иванюшин, П. А. Шаршнёва. — Текст: электронный // Актуальные проблемы строительной отрасли и образования. — 2023: сборник докладов IV Национальной научной конференции (г. Москва, 15 декабря 2023 г.). — Москва: Издательство МИСИ–МГСУ. — НИУ МГСУ, 2024. — С. 546–553. — URL: https://mgsu.ru/resources/izdatelskaya-deyatelnost/izdaniya/izdaniya-otkr-dostupa/59774/ (дата обращения: 08.04.2024).
2. Злобина Е. Ю. Возможность использования атмосферных осадков в водоснабжении крупных объектов инфраструктуры / Е. Ю. Злобина, Ю. А. Иванюшин. — Текст: непосредственный // Северный морской путь, водные и сухопутные транспортные коридоры как основа развития Сибири и Арктики в ХХI веке: сборник докладов ХХ Международной научно-практической конференции. Том I. — Тюмень: ТИУ, 2018. — С. 100–104.
3. Злобина Е. Ю. Использование атмосферных осадков в водоснабжении / Е. Ю. Злобина, Ю. А. Иванюшин. — Текст: непосредственный // Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе: материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов. Отв. ред. А. Н. Халин. — Тюмень: ТИУ, 2018. — С. 165–168.
4. Проектирование систем сбора и очистки поверхностных сточных вод: учебное пособие / Е. И. Вялкова, С. В. Максимова, Ю. А. Иванюшин, А. М. Фугаева. — Тюмень: ТИУ, 2020. — 140 с. — Текст: непосредственный.
5. Weather Spark: сайт. URL: https://ru.weatherspark.com (дата обращения: 08.04.24).
6. Янцен О. В. Возможности повторного использования дождевых сточных вод / О. В. Янцен, Е. С. Гогина, К. Г. Колосова, Е. В. Спасибо. — Текст: непосредственный // Природообустройство. — 2023. — № 5. — С.73–80. — URL: https://doi.org/10.26897/1997–6011–2023–5–73–80 (дата обращения: 08.04.2024).