Оценка эффективности и условий применения инфильтрационных колодцев как элементов искусственной экосистемы городских улиц

Препринт статьи



В статье описывается конструктивное решение для отвода поверхностного стока, предложенное для населенных пунктов, не имеющих закрытых систем дождевой канализации, а также в дополнение к существующим системам дождевой канализации. В выводе приводятся рекомендации по эффективному использованию инфильтрационных биобассейнов.

Ключевые слова: отвод поверхностного стока, искусственная экосистема городских улиц, инфильтрационный биобассейн.

«Устойчивое управление поверхностным стоком» [1] является необходимым условием развития городов. Одним из возможных вариантов реализации этой цели является создание систем отведения поверхностных вод, которые предусматривают увеличение инфильтрации поверхностных вод в грунт, что приближает процесс «круговорота воды» в условиях городской застройки к естественным условиям.

В соответствии с [1] для реализации поставленной задачи могут быть использованы две группы сооружений: гидротехнические инфильтрационные (колодец, туннель, траншея) и биоинфильтрационные (биосклон, биобассейн, «дождевой сад»), которые отличаются повышенным использованием зеленых насаждений. Такие сооружения могут использоваться в населенных пунктах, при отсутствии закрытых систем дождевой канализации; а также в дополнение к существующим системам дождевой канализации. Следует отметить, что методики определения конструктивных параметров инфильтрационных сооружений в [1] отсутствуют.

В [2, 3] рассмотрены условия применения инфильтрационных колодцев и туннелей. В [4] дана оценка эффективности использование биоинфильтрационной конструкции «дождевой сад».

В данной работе рассматривается конструкция и использование инфильтрационных биобассейнов (ИББ), схема конструкции которых представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема конструкции инфильтрационного биобассейна

ИББ может располагаться между проезжей частью и тротуаром в пределах полосы озеленения в границах красных линий улицы. ИББ имеет трапецеидальное поперечное сечение форму с пологими откосами (1:m, где m=3–5). Дно ИББ располагается ниже дна борт-лотка проезжей части примерно на h=0,1–0,15м. Продольный уклон дна ИББ не более 0,005; поперечный направлен в сторону от проезжей части не более 0,01. Длина ИББ (L _иб ): при величинах продольного уклона проезжей части (по борт-лотку) 0,004–0,006 определяется расстоянием между ВЛ и составляет не более 20м; при больших значениях продольного уклона целесообразно устройство 2–3 бьефов с разными отметками дна.

Водоотводные лотки (ВЛ) соединяют борт-лотки и ИББ, обеспечивая поступление дождевых вод с водосборной площади F _иб (например, с проезжей части) в ИББ. В нижней части ВЛ для исключения размыва необходимо выполнить крепление дна ИББ. В верхней части ВЛ устраивается дождеприемник бесколодезного типа для обеспечения наилучших условий для поступления дождевых вод.

Посадка растений на площади ИББ, устойчивых к периодическому затоплению (мезофитов и гигрофитов), повысит эффективность ИББ в следствие синергетического эффекта процессов инфильтрации и эвапотранспирации.

В работе ИББ выделяются три стадии: аккумуляции, инфильтрации, фильтрации.

Стадия аккумуляции — заполнение объема аккумуляции ИББ (W _ак ) заключенного в ИББ между отметками дна и уровня борт-лотка. Может быть определен как

W _ак =(b _ииб +m×h _ииб )×h _ииб ×L _ииб

Из условия отсутствия затопление проезжей части улицы W _ак должен быть не меньше, чем объем дождевых вод водосборной площади ИББ (за расчётный период, например за сутки). Этот объем может быть определен по СП 32.13330.2018:

W _д =10×h _д ×ψ _д ×F _д

где F _д — водосборная площадь ИББ; – общий коэффициент стока дождевых вод; h _д – слой осадков (СП 131.13330.2012). Для условий города СПб при F _д =180м ² (проезжая часть 20м×7м и тротуар 20м×2м); =3,1м ³ (что соответствует дождю с интенсивностью повторяемостью 1 раза в год).

Необходимая ширины по дну ИББ (при m=3; h _ииб =0,1м; L _ииб =19м) составит b _ииб =1,35м. Необходимая ширина полосы озеленения составит B _пз =3,4м (при рекомендуемом значении 2,0м).

Стадия инфильтрации начинается при заполнении объема аккумуляции ИББ вода начинает впитываться в грунт (более подробно в [5]), поступая в свободное поровое пространство зоны аэрации, расположенной выше уровня грунтовых вод (УГВ).

Объем впитывания ИББ соответствует объему свободного порового пространства зоны аэрации, зависящего от свойств грунта. Согласно [4] удельный объем инфильтрации дождевых вод w _ин на 1м ² площади составит:

w _ин =(h _гв -0,5×h _кк )×µ

где: µ — коэффициент водонасыщения (водоотдачи); h _кк — высота капиллярного поднятия, м; h _гв — глубина залегания УГВ под дном ИББ, м.

Применительно к рассматриваемому примеру в супесчаных грунтах при h _гв =1,0м; h _кк =0,7м; µ=0,12 величина w _ин =0,078м ³ /м ² , а объем впитывания составит W _вп =w _ин ×b _ииб ×L _ииб =2,0м ³ , что меньше объема W _д =3,1м ³ .

При скорости инфильтрации в супесчаных грунтах v _вп =0,05м ³ /м ² /сут (СТО НОСТРОЙ 2.17.176–2015) период инфильтрации составит t _вп =w _вп /v _вп =1,6сут. По окончании этого периода объем впитывания ИББ полностью заполнен водой.

Стадия фильтрации наступает в случае, если объем аккумуляции W _ак больше объема впитывания W _вп после завершения стадии инфильтрации. Объем фильтрации W _ф =W _ак -W _вп , а продолжительность t _ф =W _ф /(q _ф ×L _иб ).

Удельный расход q _ф (м ³ /с на 1 пог.м длины) фильтрационных вод может быть определен в соответствии с СП 100.13330.2016:

где: — коэффициент фильтрации грунтов, м/сут; B _ииб =b _ииб +2×m×h — ширина по верху, м; h — глубина воды, м; — коэффициент (≈1,0).

Применительно к рассматриваемому примеру: объем фильтрации W _ф =W _ак -W _вп = 3,1м ^3– 2,0м ³ =1,1м ³ , удельный расход (при коэффициенте фильтрации супесчаных грунтов k _ф = 0,5м/сут) составит q _ф =1,5м ³ /сут/пог/м; продолжительность t _ф =W _ф /(q _ф ×L _иб )=0,4сут.

В качестве комментария к полученному результату отметим:

— Если в продолжение стадий инфильтрации и фильтрации произойдет выпадение дождя, то это может явиться причиной переполнение объема аккумуляции ИББ и затопление проезжей части улицы.

— Полное заполнение объема впитывания ИББ означает подъем УГВ до уровня дна ИББ. Следствием этого может являться периодическое подтопление грунтовыми водами прилегающей территории (проезжей части улицы и тротуара), что противоречит условиям нормальной эксплуатации городских улиц. Для предотвращения подтопления необходимо устройство сопутствующего дренажа и решения проблемы сброса дренажных вод.

— При увеличении ширины ИББ увеличивается ширина полосы озеленения, а значит и ширины улицы в границах «красных линий» следствием этого является уменьшение значения коэффициента застройки.

— С поверхности проезжей части улицы с дождевыми водами в ИББ будут поступать загрязняющие вещества. Некоторая часть из них в результате инфильтрации и фильтрации может стать причиной загрязнения грунтовых вод.

— Использование ИББ (также, как и всех остальных видов инфильтрационных сооружений):

• на глинистых и суглинистых грунтах не обосновано;
• с уменьшением глубины залегания УГВ под дном ИББ эффективность уменьшается;
• с увеличением уклонов территории и водосборной площади увеличивается сложность конструкции ИББ.

Литература:

1. Методические рекомендации по организации водоотвода на улично-дорожной сети городов, не имеющих подземной (трубопроводной) ливневой канализации. М.: Минстрой России. 2019. 165 с.
2. Криулин, К. Н., Доенина, А. К. Оценка эффективности и условий применения инфильтрационных колодцев как элементов искусственной экосистемы городских улиц — Комсомольск-на-Амуре: Материалы X Международной научно-практической конференции, 2023. — С. 213–217.
3. Доенина, А. К., Криулин, К. Н. Инфильтрационные тоннели в искусственной экосистеме городских улиц // Сборник материалов Всероссийской конференции 3–9 апреля 2023 года Часть 1. — Санкт-Петербург: Политех-пресс, 2023. — С. 134–137.
4. Бабанина А. И., Криулин К. Н. Расчет конструкции дождевого сада// Неделя науки ИСИ. -2021. -No1. -С. 328–330.
5. Криулин К. Н., Дренажные системы в ландшафтном и коттеджном строительстве. СПб.: Изд-во ООО «НП-Принт», 2014