Водные ресурсы, 2020, T. 47, № 5, стр. 483-492

ВВЕДЕНИЕ

Загрязняющие вещества (ЗВ), поступающие с диффузным стоком с застроенных (урбанизированных) территорий, составляют значительную часть общего количества загрязнений, поступающих в водные объекты, и оказывают тем самым негативное воздействие на водные экосистемы вплоть до их полной деградации.

В России гидрологические процессы на естественных водосборах изучены гораздо лучше, чем на урбанизированных территориях. Оценка потоков ЗВ на водосборах усложняется в городских условиях по причине кардинального изменения ландшафтов и большой неопределенности источников загрязнений.

Необходимо отметить, что процесс формирования диффузного стока с городских территорий на территории Российской Федерации изучался в основном с целью обоснования прикладных задач. В практике сбора и очистки дренажного (талого, ливневого) стока применяются инженерные методы, позволяющие оценивать расчетные характеристики поступления отдельных видов ЗВ при подготовке проектов строительства в городах. Известны результаты исследований структуры и параметров расчетных зависимостей величин стока и смыва ЗВ от количества осадков на территории некоторых городов [3–5].

Сегодня задача расчета количества ЗВ, поступающих в водные объекты от диффузных источников в условиях урбанизации территорий, решается путем использования обобщенных показателей смыва загрязнений со стоком дождевых и талых вод. Используемые при этом коэффициенты и зависимости предназначены для проектирования очистных сооружений и, в целом, обоснованы на ограниченном материале наблюдений.

Основные исследования и разработки в России по проблеме диффузного стока относятся к 1970–1980-м гг., и их результаты, по современным меркам, требуют актуализации и применения современных подходов, учитывающих существующий уровень математического моделирования гидрологических процессов и имеющийся зарубежный опыт решения задач управления водными ресурсами урбанизированных территорий.

ОСНОВНЫЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ПРИ ОЦЕНКЕ ДИФФУЗНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Основная проблема диффузного стока связана со слабой изученностью процесса его формирования. Оценка выноса загрязнений от диффузных источников на селитебных территориях сильно осложняется отсутствием сколько-нибудь действенного мониторинга состояния водной среды в достаточно специфических условиях. Гидрометеорологическими (включая гидрохимические) наблюдениями охвачены в основном крупные и средние реки, в пределах бассейнов которых площади урбанизированных территорий могут составлять различную долю общей площади. Выявить вклад города в изменение количественных и качественных характеристик вод на основе существующих данных не всегда возможно.

Формирование снежного покрова в городах и в целом гидрологический режим урбанизированных территорий практически не изучается, при этом талые воды – основной фактор поступления загрязнений в водные объекты. Не способствует развитию методов оценки смыва ЗВ слабая сеть метеорологических пунктов наблюдений, оборудованных плювиографами.

Основная гидрологическая задача, возникающая при оценке диффузного стока с урбанизированных территорий, – это оценка условий формирования поверхностного или дренажного стока при наличии сильно нарушенных ландшафтов, непрерывно происходящих изменений инфраструктуры города, отсутствия систем ливневой канализации и прочих факторов, слабо поддающихся формализованному описанию. В отсутствие актуализированной топографической основы крупного масштаба приобретает важнейшее значение задача выделения (построения) гидрографический сети и определения соответствующих гидрографических характеристик.

Очевидно, что задача оценки диффузного стока сложна и разнообразна и в связи с этим должна решаться на основе методов математического моделирования. Сложность модели должна гарантировать учет основных факторов и при этом не упрощать происходящие процессы, а также не требовать чрезмерных затрат на ее идентификацию. Последнее, в частности, относится к блоку физико-химических механизмов, который, как правило, рассматривается в этих задачах в весьма упрощенном виде.

В работе обсуждается подход к оценке диффузного стока с территории г. Ростова Великого (Ростова) Ярославской области, имеющего типичные для малых городов в бассейне р. Волги условия землепользования, состояние городской инфраструктуры и антропогенную нагрузку. Ростов расположен в юго-восточной части Ярославской области на расстоянии 58 км от областного центра – г. Ярославля. Население г. Ростова на 1 января 2018 г. составило 30969 тыс. человек, площадь городского поселения 32 км² [12]. Ростов расположен на берегу оз. Неро, определяющего гидрологические особенности территории города. В оз. Неро впадает р. Сара и еще приблизительно 20 небольших речек, вытекает одна река – Векса (Которосль). Качество воды в оз. Неро определяется объемом ЗВ, содержащихся в водах рек, впадающих в озеро, а также степенью загрязнения/очистки поверхностного стока в озеро через систему ливневой канализации Ростова. С гидрологической точки зрения, негативные последствия урбанизации в Ростове проявляются в антропогенном заболачивании, капиллярном увлажнении и деформации грунтов, оснований и каменных конструкций зданий в процессе подтопления грунтовыми водами и другими негативными процессами.

Регион характеризуется хорошей гидрометеорологической изученностью, что вместе с результатами экспериментальных исследований условий формирования стока на застроенной территории позволило решить поставленные задачи.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

С целью оценки диффузного стока с территории г. Ростова проведены исследования качества воды в трех точках ливневой канализации (рис. 1), использовавшиеся для верификации расчетов смыва ЗВ. Помимо этого, рассмотрены факторы, влияющие на качество и режим поверхностного стока исследованных микроводосборов, в том числе и по материалам исследований прошлых лет [2–5], выполнены расчеты интенсивности водоотдачи при снеготаянии, а также проведен расчет стока и выноса ЗВ с использованием методов математического моделирования.

Точки отбора проб находились на устьевых участках дренажных систем непосредственно перед сбросом вод в оз. Неро. Отбор проб проводился в период интенсивного снеготаяния (март–апрель 2019 г.) по следующим показателям: ХПК, БПК₅, взвешенные вещества, Fe_общ, нефтепродукты, ${\text{NH}}_{4}^{ + }$, Cl^–, ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$. Выбор указанных веществ проводился экспертным путем на основe литературных источников и анализа антропогенной нагрузки на территорию г. Ростова [1, 6, 8, 9, 11]. Следует отметить, что водосборы дренажных систем, сток которых измерялся в назначенных пунктах наблюдений, были репрезентативными по отношению к основным типам подстилающей поверхности на территории города.

Расчеты диффузного стока ЗВ на урбанизированных территориях основываются на расчетах трех составляющих: поступления воды на водосбор в результате снеготаяния, расчета поверхностного стока воды и смыва загрязнений.

Анализ интенсивности снеготаяния и расчет водоотдачи из снежного покрова проводился по данным м/с Ростов. Расчет проводился для двух характерных лет с минимальными (2015 г.) и максимальными (2013 г.) снегозапасами к началу периода снеготаяния, а также за исследуемый 2019 г.

Расчет водоотдачи из снежного покрова проводился по методу А.Г. Ковзеля [7, 10], основанного на рассчитанных методом теплового баланса (неприведенных) значениях суточной интенсивности снеготаяния и на графоаналитическом способе учета в условиях неравномерности распределения снегозапасов по площади водосбора. Для расчета необходимы значения коэффициента вариации запасов воды в снеге по площади водосбора и начальное значение коэффициента водоудерживающей способности снега.

Для характеристики распределения снегозапасов по площади использовалась кривая обеспеченности снегозапасов, которая, в свою очередь, характеризовалась основным параметром – коэффициентом вариации по площади.

Расчет водоотдачи воды из снега проводился на основе расчета обеспеченности запасов воды в снеге по площади [7].

Для определения интенсивности снеготаяния использовался упрощенный метод Е.Г. Попова, в основу которого положены формулы П.П. Кузьмина, позволяющие рассчитывать интенсивность снеготаяния не только за сутки, но и за более короткие интервалы времени, что дало возможность получить ее внутрисуточный ход [7, 10].

Для расчета стока и выноса ЗВ с поверхности исследуемого водосбора использована моделирующая система SWMM, предназначенная для исследования работы систем ливневой канализации на застроенных территориях [13]. Модель водосбора, созданная на основе данной системы, предполагает разделение изучаемой территории на элементарные водосборы, определение (задание) параметров, определяющих потери стока на инфильтрацию и склоновое задержание, и добегание по поверхности (склоновое добегание). В данном случае каждый из элементарных водосборов (рис. 1) представлен в виде двух склонов, смыкающихся в тальвеге.

Модель формирования поверхностного стока на застроенной территории включала в себя расчет стока с элементарных водосборов по заданным параметрам потерь с учетом различной степени застройки и его трансформацию по системам естественных русел и каналов ливневой канализации.

Выходом модели были расходы воды в заданных точках системы. Для калибровки модели поверхностного стока г. Ростова использовались расходы воды, измеренные в точке 3 (Пролетарская, 82) за период с 28 марта по 10 апреля. Полученные в результате модельных расчетов значения стока соответствуют наблюденным величинам (рис. 2).

Для описания смыва ЗВ с территории города использовалось следующее экспоненциальное соотношение [13]:

где W – смытое количество вещества, мг/ч; K_w – коэффициент смыва, 1/мм; q – интенсивность стока с водосбора, мм/ч; N_W – экспонента смыва; m_B – количество накопленного на поверхности ЗВ, мг.

Для расчета массы вещества, накопленного на поверхности водосбора, применялась следующая формула [14]:

где В – накопление вещества, мг; B_max – максимально возможное накопление ЗВ, мг; K_B – константа скорости накопления, 1/сут; t – время накопления, сут.

Калибровка блока качества воды модели SWMM проводилась за счет подбора четырех параметров: B_max, K_B, K_W и N_w. В силу ограниченности данных наблюдений качество калибровки оценивалась визуально с помощью графиков, на которых были совмещены рассчитанные и измеренные концентрации ЗВ.

Откалиброванная модель стока воды с территории города позволила рассчитать сток ЗВ с последующей целью моделирования эффективности разных видов очистки. Расчет проводился по восьми показателям: БПК₅, ХПК, общему железу, аммоний-иону, сульфатам, хлоридам, нефтепродуктам и взвешенным веществам. Для калибровки использовались результаты гидрохимических анализов проб, отобранных в марте–апреле 2019 г. в устьевых точках (рис. 3). Для репрезентативности результатов моделирования калибровка проводилась на основе результатов анализов проб, отобранных в точке 3 (ул. Пролетарская, 82). Данные, полученные в остальных точках, использовались в качестве независимого материала для верификации модели.

В результате моделирования получены данные о стоке воды в узлах и каналах дренажной сети, об объемах поверхностного стока с каждого водосбора как в определенный момент времени, так и за весь период моделирования. В итоге расчета диффузного стока получены ряды концентраций и объемов стока ЗВ в узлах и каналах сети, а также рассчитан смыв веществ с каждого элементарного водосбора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате проведенных исследований выявлено, что на качество поверхностного стока с застроенной территории г. Ростова оказывает влияние множество причин: изношенные сети ливневой и хозяйственно-бытовой канализации, объекты транспортной инфраструктуры и промышленность. Анализ качества вод, поступающих из ливневой канализации г. Ростова в оз. Неро, выполненный в 2019 г., выявил превышение содержания органических (в том числе легкоокисляемых) веществ, измеряемых с помощью показателей ХПК и БПК₅, а также общего железа по нормативам для рыбохозяйственных водоемов. Ионы аммония также превышали значения ПДК по всем точкам наблюдений. Это связано с тем, что канализация в центральной части города не организована в единую сеть, на отдельных участках ливневая канализация соединена с хозяйственно-бытовой канализацией. Также это связано с наличием на территории г. Ростова значительного количества огородов. Повышенное содержание общего железа может быть объяснено наличием большого количества кустарных производств финифти. Превышение ПДК по нефтепродуктам может быть связано с загрязнением стока с территории города от автомобилей и заправок. Содержание хлоридов и сульфатов не превышало нормативные значения во всех точках отбора проб. Содержание взвешенных веществ не сравнивалось с нормативным в связи с тем, что ПДК для взвешенных веществ зависит от фонового содержания и категории объекта.

Для расчета стока и выноса ЗВ с территории г. Ростова с помощью модели SWMM были приняты величины водоотдачи из снежного покрова, рассчитанные с использованием данных наблюдений на м/с Ростов.

Характерные годы с максимальными и минимальными снегозапасами, согласно которым 2015 г. можно отнести к маловодному году, а 2013 г. – к многоводному, были выбраны на основе анализа гидрологического режима р. Сары.

В 2019 г. установление устойчивой положительной температуры воздуха наблюдалось с 18.03.2019, эта дата принята в расчетах за начало периода снеготаяния. Согласно данным снегомерных съемок, полный сход снега по рейке произошел 4 апреля, 11 апреля снег полностью сошел повсеместно. Высота снежного покрова к началу снеготаяния составляла 32 см. За весь период снеготания на водосборе выпало 24.2 мм твердых и смешанных осадков и 1 мм жидких.

В 2015 г. устойчивые положительные значения температуры воздуха установились с 1 марта, высота снежного покрова к началу снеготаяния составила всего 18 см, снег сошел полностью к 15 марта. Период снеготаяния составил 15 дней, за этот период осадки выпадали всего один раз в жидком виде и составили 3 мм.

2013 г. значительно отличается от 2015 и 2019 гг. по своим характеристикам: устойчивые положительные значения температуры воздуха наблюдались со 2 апреля, период снеготаяния длился месяц, снеготаяние завершилось 30 апреля, высота снежного покрова к началу снеготаяния составляла 73 см. За период снеготаяния на м/с Ростов зафиксировано выпадение жидких осадков в количестве 7.2 мм.

При расчете суммарной водоотдачи учитывались данные о жидких осадках , выпавших на водосбор в период снеготаяния.

На рис. 4 представлены графики суточного хода водоотдачи из снежного покрова, рассчитанные отдельно для дневных (7–19 ч) и ночных часов за 2019, 2013, 2015 гг., на основе них проведен расчет поверхностного стока с территории Ростова в период снеготаяния. В ночные часы водоотдачи не было. Пространственное распределение слоя стока весеннего половодья представлено на рис. 5.

Расчет поступления ЗВ с территории г. Ростова за период половодья 2019 г. показал следующий суммарный сток, т: ${\text{SO}}_{4}^{{2--}}$ – 22, Cl^– – 15.8, взвешенных веществ – 14.4, ХПК – 9.9, БПК₅ – 2.6, ${\text{NH}}_{4}^{ + }$ – 0.8, Fe_общ – 0.2, нефтепродуктов – 0.05. В этом случае почти все загрязнения смываются с 70% стока. Пространственное распределение ряда ЗВ (БПК₅, взвешенные вещества, нефтепродукты) на территории г. Ростова продемонстрировано на рис. 6–8.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для застроенной территории г. Ростова характерны сложные инженерные условия вследствие недостаточной развитости системы инфраструктурных объектов – систем водоснабжения, водоотведения и ливневой канализации. Результаты выполненного исследования показали, что с застроенной территории в водные объекты может поступать значительное количество ЗВ.

На примере территории г. Ростова показано, что процессы смыва и трансформации диффузного стока характеризуются большой неопределенностью, связанной как со сложными механизмами формирования водного стока, так и с многообразием форм диффузных источников.

Задача оценки поступления загрязнений от диффузных источников на застроенных территориях по причине сложности и разнообразия условий должна решаться на основе методов математического моделирования. При этом основной предмет обсуждения – сложность модели, гарантирующая, с одной стороны, учет основных факторов, а с другой – не упрощающая основные процессы и не требующая больших затрат на ее идентификацию.

Для расчета стока воды и выноса ЗВ с территории г. Ростова рекомендовано использовать моделирующую систему SWMM, предназначенную для исследования работы систем ливневой канализации на застроенных территориях. Объединение моделей стока и смыва ЗВ с территории г. Ростова позволило рассчитать количество каждого поступающего ЗВ с диффузным стоком.

Для оценки и прогноза диффузного стока необходимо сочетание экспериментальных работ и математического моделирования гидрологических и гидрохимических процессов на приемлемом уровне воспроизведения основных механизмов переноса.

Проведение экспериментальных работ, направленных на изучение формирования как водного стока, так и стока (выноса) ЗВ, необходимо в связи с наличием на урбанизированной территории сильно нарушенных ландшафтов, непрерывно происходящих изменений инфраструктуры города, отсутствия систем ливневой канализации и прочих факторов, слабо поддающихся формализованному описанию и пространственному обобщению.

Авторы статьи выражают благодарность Е.А. Коробкиной, И.А. Филипповой и М.А. Харламову (ИВП РАН) за помощь в полевых работах, обобщении данных и выполнении расчетов.