Разработка и исследование системы совместного отведения поверхностных и дренажных вод с городских территорий

Отсутствие в городе Пензе системы ливнесточной сети в условиях подтопленных и заболоченных территорий ухудшает экологию города, осложняет строительство и эксплуатацию зданий, сооружений, систем инженерного оборудования, ведет к загрязнению природных водоемов и городских территорий. Анализ существующего опыта исследований, проектирования и эксплуатации ливнесточных систем позволяет предложить возможность комплексного решения проблемы отведения ливневых сточных вод с территорий городов и дренирования заболоченных и подтопленных территорий.

Система предназначена для сбора и отведения дренажно-тало-ливневых сточных вод и состоит из уличной дренажно-водоотводящей сети, коллектора и проточного отстойника. Участок исследования расположен на территории района Арбеково (рисунок 1). Для него подобрана наиболее оптимальная схема дренажа, выполняющая функции дренажно-ливневого коллектора и дрен, работающих как дрены-осушители и отводящие тало-ливневые воды.

дренажный отведение вода талый Рис. 1. Бассейн канализования

Проведен анализ климатических параметров, факторов влияния (морфологических, геолого-литологических, гидрогеологических и техногенных) и качественная оценка экологического состояния поверхностного и подземного стока в пределах города Пензы.

В течение года осадки распределяются неравномерно: наибольшее их количество выпадает в теплый период, максимум отмечается в июле (66 мм), минимум — в апреле (34 мм).

Состав поверхностных сточных вод на территории города Пензы весьма разнообразен, причем диапазон изменения концентраций и загрязнений, превышающих ПДК в стоках, очень большой (табл. 1).

Расчет дренажно-ливневой системы проводился по зависимостям С. Ф. Аверьянова, А. В. Романова. М. В. Молокова и В. Н. Шифрина. В результате расчета определялись удельный и полный дебиты (Q_др=1,3 м³/с) несовершенного берегового дренажа и системы однолинейных уличных дрен; максимальный расход ливневого стока (Q_{max ливн}= 3,48 м³/с) при периоде однократного превышения р=1 год, максимальный расход талых вод (Q_тал=1,6 м³/с).

Таблица 1 — Объемы и состав поверхностных и дренажных сточных вод на территории города Пензы.

Прогноз изменения концентрации консервативных веществ проведен с учетом поступления сточных вод в проточный отстойник (рис. 2).

Рис. 2. Расчетная схема проточного резервуара

Прогноз качества воды должен учитывать: разбавление ливневых и талых вод дренажными водами; деструкцию неконсервативных веществ образование новых промежуточных и конечных продуктов; взаимодействие веществ; сорбционные и десорбционные процессы; влияние турбулентной составляющей скорости потока на процесс седиментации взвешенных частиц; температуру воды. Параметры проточного отстойника зависят от содержания взвешенных частиц в стоке и определяются шириной B, глубиной H, длиной резервуара L и заглублением водосливного колодца h.

Задача оптимального выбора параметров резервуара состоит в обеспечении максимальной экологической безопасности поверхностных водоемов при минимальных размерах. Оптимальные размеры определялись путем последовательного задания функций определяющих значений на основе метода неопределенных множителей Лагранжа с отысканием условного экстремума.

Глубина резервуара по рекомендации СниП 2.04.03−85 принята Н = 4 м. Тогда оптимальная рабочая скорость х= 0,084 м/с при максимальном расходе ливневых вод и ширина резервуара В = 12,5 м, соответствующей этой скорости; оптимальное значение периметра водосливного колодца Р = 26 м и соответствующее значение осветленного слоя h = 0,12 м.

Выбор длины проточного отстойника зависит от времени и характера седиментации взвешенных веществ в поверхностном слое по длине потока дренажно-ливневого стока в пределах отстойника.

Результаты экспериментальных исследований позволили получить расчетную зависимость остаточных значений взвешенных частиц с учетом влияния турбулентной составляющей различной скорости потока и несовершенства гидравлических условий работы проточного отстойника Результаты обработки экспериментальных данных осаждения взвешенных частиц при кинетических условиях представлены в таблице 2.

Таблица 2 — Основные характеристики взвешенных частиц.

В результате обработки проведенного анализа результатов эксперимента установлена закономерность изменения взвешенных веществ в слое глубиной 0,12 м:

(1).

где С_ост — остаточная концентрация взвешенных веществ в сосуде по истечении времени ф (мг/л); С₀ — первоначальная концентрация взвешенных веществ.

Полученные результаты эффективности осветления показывают, что после 20 минут седиментации взвешенных частиц эффективность практически мало отличается по глубине потока в поверхностном слое h=0,12 м. При этом концентрация взвешенных частиц в этом слое уменьшается почти в 3 раза в основном за счет более крупных фракций. Наличие мелких частиц в сточных водах не превышает предельно допустимую концентрацию.

При х>0 на процесс осаждения взвешенных веществ оказывает воздействие турбулентная составляющая скорости и ряд других случайных факторов, основными из которых является разбавление вод, находящихся в отстойнике, дренажными водами, поступающими в период отсутствия дождя и разбавление осветленных вод дренажноливневыми стоками во время дождя. Коэффициент разбавления во время дождя в отстойнике с осветленными стоками составляет 3,85−1,35.

Осветление дренажно-ливневых стоков при определенных значениях скорости потока и гидравлической крупности взвешенных частиц резко падает. Данные скорости можно принять как предельные. При выборе оптимальных размеров проточного отстойника следует исходить из условия х_пред?0,084м/с.

Зависимость для определения остаточной концентрации взвешенных веществ в слое дренажно-ливневых стоков равном 0,12 м в проточном отстойнике имеет вид:

(2).

где r_с — коэффициент изменения концентрации взвешенных веществ при разбавлении в отстойнике.

(3).

С₀ — концентрация взвешенных веществ при ф=0 и d? 75 мкм, мг/л;

в — коэффициент, учитывающий температуру стоков. в=1 при t=20^оС, в=0,98 при t=15^оС, в=0,84 при t=5−8^оС; - коэффициент, учитывающий изменение концентрации взвешенных частиц в заданном интервале времени седиментации, определяется опытным путем; nґ — коэффициент разбавление вод, находящихся в отстойнике, дренажными водами, поступающими в период отсутствия дождя.

(4).

где С_i — концентрация взвешенных веществ в i-ом интервале;

Re— критерий Рейнольдса в поверхностном слое h м.

При определении значения m принимается предельное значение критерия Рейнольдса при скорости х=0,084 м/с.

(5).

_щ— коэффициент, учитывающий вертикальную составляющую скорости потока, которая направлена вертикально вверх.

(6).

у_щ— дисперсия вертикальной составляющей скорости щ

(7).

u_i— гидравлическая крупность i-ой частицы взвеси, м/с; - среднее значение гидравлических частиц взвеси, м/с; n — количество фракций взвешенных веществ;

Стоки с предельной скоростью х_пред, = 0,084 м/с за 40 мин должны пройти расстояние равное 198,6 м, за 20 мин — 99,3 м. При этом осредненный коэффициент разбавления соответственно увеличивается.

Прогнозируемый процесс осаждения взвешенных веществ для предельной скорости показан на рисунке 3.

1 — ф=40 мин, без разбавления; 2 — ф=40 мин с разбавлением; 3 — ф=20 мин, с разбавлением; 4 — опытные данные при х=0,084 м/с: h=0,12 м; h=0,01 м; среднее значение;

Рис. 3. Прогноз осаждения взвешенных веществ в стоках со скоростью движения х=0,084 м/с.

Длина резервуара отстойника зависит от гидромеханических параметров потока, концентрации взвешенных частиц в стоке, величины осветляемого слоя.

При определении оптимальной длины резервуара следует исходить из того, что осветление дренажно-ливневого стока возможно до достижения экологически безопасного предела (ПДК+0,25 мг/л) или до необходимых концентраций, обоснованных экономическими затратами. В зависимости от объема капитальных вложений изменяется длина отстойника и, следовательно, количество осажденных частиц.

Точки пересечения графиков (рис. 4) являются пределами изменения оптимальной длины отстойника при условии движения разбавленных стоков в течении 20 мин и неразбавленных стоков при продолжительности дождя более 40 мин. Изменение длины отстойника в этом случае будет колебаться от 46 м до 96 м при среднем значении 71 м.

• 1 — без разбавления, ф=40 мин; 2 — с разбавлением, ф=40 мин
• 3 — с разбавлением, ф=20 мин; 4 — капиталовложения

Рис. 4. Изменение концентрации взвешенных веществ в зависимости от капиталовложений

прогнозируемая концентрация неконсервативных веществ с учетом разбавления и фонового загрязнения находится по формуле Родзиллера [1].

(8).

где n — разбавление; С_пр — прогнозируемая концентрация окисляемого вещества; С_ф — концентрация того же вещества в дренажных водах; С_ст — концентрация вещества в ливневых или талых водах; t — время от начала процесса биохимического окисления; k — коэффициент неконсервативности.

В водоотводящей сети происходит смешение дренажных и ливневых или талых вод. Величина разбавления различна и зависит от расхода поверхностных вод (расход дренажных вод постоянен).

В пределах уличной водоотводящей сети разбавление изменяется неравномерно и определяется по формуле.

(9).

где а — число дождеприемников, принявших ливневые (талые) стоки от начала уличной сети; Q₁ — расход ливневых вод на 1 дождеприемник; q₀ — расход дренажных вод.

В пределах коллектора разбавление определяется по формуле.

(10).

где b — число выпусков, принявших ливневые (талые) стоки от начала коллектора; Q₂ — расход дренажно-ливневого стока на 1 выпуск.

В рассматриваемом бассейне разбавление n составляет в зависимости от величины расхода в пределах уличной сети 1,02−5,88, в пределах коллектора 1,27−1,63.Исследуемые стоки проходят стадию биохимического окисления уже в процессе движения по уличной водоотводящей сети и по коллектору. Продолжительность движения воды в пределах уличной сети 26 мин (2,9e-⁴ сут), в пределах коллектора 27 мин (3,125е-⁴ сут) .

У входа в отстойник при максимальной концентрации ливневых стоков в 316 мг/л (52,6 ПДК) концентрация БПК₅ снижается по сравнению с начальным значением на 84−95%. В отстойнике в результате сорбционных процессов, происходит дополнительное снижение концентрации БПК на 10−15%. При максимальной концентрации нефтепродуктов 47,5 мг/л (158,3 ПДК) в результате биохимического окисления происходит снижение концентрации на входе в отстойник при максимальном расходе до 7,4 мг/л, при минимальном расходе — до 2,5 мг/л, что составляет 84,4−94,8% от первоначальной концентрации и соответственно 24,6−8,3 ПДК. Снижение концентраций аммонийного азота происходит за счет разбавления дренажными водами. При первоначальной концентрации аммонийного азота в ливневых водах 11,2 мг/л (5,6 ПДК), в талых 15 мг/л (7,5 ПДК) в водоотводящей системе происходит уменьшение концентрации до 3,35 мг/л (1,67 ПДК) (в дренажно-ливневых водах) и в талых до 4,16 мг/л (2,08 ПДК). В ливневом стоке концентрация фенолов снижается у входа в отстойник до 0,0071 мг/л (7 ПДК) при максимальной концентрации, до 0,0039 мг/л (4 ПДК) при средней концентрации и до 0,0006 мг/л (0,6 ПДК) при минимальной начальной концентрации.

Оценка эколого-экономической эффективности системы совместного отведения дренажных и тало-ливневых вод приводится по отношению к капитальным затратам и к приведенным затратам. В первом случае экономическая эффективность Э_к = Y_пред/?К (?К — капитальные затраты на систему водоохраны). Во втором случае Э_п = Y_пред/?П (?П — годовые приведенные затраты для всего комплекса водоохранных мероприятий).

Предотвращенный максимальный ущерб представляет собой разницу ущербов между максимальным ущербом, наносимым городской среде в базовом варианте и в минимальном, достигаемым в результате работы системы совместного отведения стоков.

Y_пред = Y_max — Y. (11).

Оба ущерба образуются из ущербов, наносимых городскому хозяйству и природной среде подтоплением Y_п, ущерба за счет загрязнения природной среды ливневым стоком Y_л и ущерба от талого стока Y_т.

Для предлагаемой системы общие расходы затраты по смете на строительство составляют 17 000 тыс. руб. В среднем предотвращенный ущерб составляет около 10 000 тыс. руб. Средняя экономическая эффективность по капитальному строительству составляет Э_к=0,59.

Экологическая эффективность системы заключается в степени очистки стоков на выходе из системы. Минимальное снижение концентраций наблюдается в максимальном ливневом стоке — 88,3%, максимальное — при наблюдаемых минимальных расходах ливневого стока — 96,1%.

Процесс самоочищения сточных дренажно-ливневых вод носит вероятностный характер, поэтому для оценки экологической безопасности системы использован коэффициент экологической эффективности самоочищения k_э:

k_э=1-, (12).

где С_i — расчетная концентрация загрязняющего вещества, мг/л; C_io — начальная концентрация вещества, мг/л; ПДК_i — предельно-допустимая концентрация того же вещества, мг/л.

Анализ зависимости показывает, чем менее загрязнены поверхностные воды (С_i > 0), тем больше коэффициент экологической безопасности (k_э> 1) и наоборот, чем больше загрязняющих веществ содержится в стоках, тем меньше коэффициент экологической безопасности. Изменение качества воды (k_э — от 0,6 до 0,9 на выходе из отстойника) происходит в основном, за счет самоочищения стоков, входящих в общесанитарный (за счет снижения концентрации БПК₅) и органолептический ЛПВ (взвешенных веществ, нефтепродуктов и фенолов).

• 1. Родзиллер И. Д. Прогноз качества воды водоемов-приемников сточных вод. — М.: Стройиздат, 1984, 262 с.
• 2. Курганов А. М., Н. И. Федоров. Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации. Л.: Стройиздат, 1973, 408 с.
• 3. Яковлев С. В. и др. Рациональное использование водных ресурсов. — М.: Высшая школа, 1991, 473 с