Совершенствование системы ливневой канализации города

Атмосферные осадки попадают хаотично в водные объекты, на различные уровни подземных вод. Отведение атмосферных осадков производится в централизованную систему водоотведения в виде дождевых, талых, инфильтрационных (грунтовых) вод [1 – 9].

Атмосферные осадки расходуются в виде влаги на испарение воды растениями и испарение с поверхности почв.

Годовой объем сточных вод, поступающих в централизованную систему водоотведения, определяется в соответствии с методическими указаниями [7]. Настоящие методические указания регламентируют систему учета поверхностных сточных вод, отведенных в централизованную систему водоотведения.

Непосредственно, для выполнения расчета годового объема сточных вод, поступающих в централизованную систему водоотведения, необходимо знать общую площадь водосборного бассейна, включая площади различных поверхностей, расположенных на территории бассейна. Результаты расчетов для г. Калининграда представлены в табл. 1.

Таблица 1 – Площади поверхностей для расчета годового стока

Дождевые и талые воды	Площадь поверхности
	м 2	га
Кровля	1 001 385,00 (45%)	100,14
Асфальтобетонные покрытия	778 855,00 (35%)	77,89
Булыжные     и щебеночные покрытия	222 530,00 (10%)	22,25
Грунтовые поверхности	44 506,00 (2%)	4,45
Газоны	178 024,00 (8%)	17,80
ВСЕГО	2 225 300,00 (100%)	222,53

Для выполнения расчета объема сточных вод также необходимы данные по количеству осадков общему годовому, а также по месяцам [10-14].

По данным Калининградского ЦГМС на 22.06.2016 года, суммарное среднегодовое количество осадков для г. Калининграда — 846,50 мм. Их распределение по месяцам представлено в табл. 2,3.

Расчетные данные по годовому объему стока, представлены в сводной таблице 4.

Для определения секундного расхода воды на водоотведение, следует выполнить пе- ревод годового объема сточных вод, поступающих в централизованную систему водоотведения, расчитываемого в метрах кубических в год, в литры с секунду. Получим 16 134,06 л/с.

Параметры для расчета канализационной насосной станции представлены в таблице 5.

Таблица 2 – Количество осадков за холодный период года, мм.

СТ ст о о S	ю ст о К	ю ст «	ст"	СТ ст а е	н а ст S	ст S S и
о м   1 Л ст ~ . 5  ст  со  w 3 ° ° 8 « о м ^	40 S	in	40^	Й	й	о

Таблица 3 – Количество осадков за теплый период года, мм

Таблица 4 – Сводная таблица расчетных объемов сточных вод за год

Наименование стока	Объем
Дождевой сток (W гД ср.), м 3 /год.	764 295,08
Талый сток(W гТ ср.), м 3 /год.	449 355,72
Грунтовые воды, м 3 /год.	92 706,00
В том числе:
Слой атмосферных осадков (Нг.ос.), мм 3 /год.	905,76
Сточные воды (Нг.отв.), мм 3 /год.	545,39
Слой атмосферных осадков на испарение (Нг.исп.), мм 3 /год.	278,32
Слой, учитывающий уборку в холодный период(Нг.отв.т.уб.), мм3/год.	40,39
Дренажный сток (Нг.отв.др.), м 3 /год.	0
Поливомоечный сток (Wм.), м 3 /год.	87 626,25
Поверхностные сточные воды (Wп.с.), м 3 /год.	1 393 983,05

Таблица 5 – Параметры для расчета канализационной насосной станции

Наименование параметра	Количество
Глубина залегания подводящего сбросного коллектора, диаметр 1000 мм.	2,00 м.
Глубина залегания напорного коллектора, диаметр 150 мм.	1,50 м.
Протяженность напорного коллектора, диаметр 150 мм.	15,00 м.
Разность геодезических высот в начале и конце трассы напорного коллектора	0
Производительность насосного оборудования в год	16134,06 л/с
Максимальный приток сточных вод	44 л/с
Характер сточных вод	дождевой сток

На основании данных таблицы 5. выбираем насосное оборудование, производительностью 44 л/с, и максимальным напором 15 метров. За основу берем насос марки Grundfos, модель SE 1.85.150.100.4.52H.C.N.51D.

В соответствии с рекомендациями производителя насосных агрегатов и СП [1], вместимость подземной емкости насосной станции следует расчитывать исходя из расхода сточных вод, параметров насосной установки, предельной частоты включения электродвигателей и условий охлаждения насосного оборудования. Из всех требований, основное – это допустимая частота включений электродвигателя насоса, т.к. по притоку подбирается производительность насоса и учитывает этот параметр. Соответственно, расчет рабочего объема резервуара должен обеспечить условие, при котором, насосы не будут включаться больше допустимой частоты (указанной в паспорте на насос) при разном притоке в насосную станцию, меняющемся в зависимости от времени суток, т.к. это приведет к перегреву двигателя и поломке насоса.

Согласно технической документации производителей насосного оборудования, используемого при расчете времени цикла, равного 180 секундам рабочий объем КНС должен быть не менее 1,98 м3.

В соответствие с произведенными расчетами рабочего объема КНС, целесообразно выбрать канализационную насосную станцию FloTenk-KNS (рис. 1) для перекачивания дождевых стоков, производительность 44 л/с, напор до 15 м., на базе погружных канализационных насосов KSB.

Рисунок 1 – Канализационная насосная станция

FloTenk-KNS [15]

Емкости выполнены из современного материала – стеклопластика.

На сегодняшний день, отведение дождевых сточных вод с территории города Калининграда выполняется за счет комбинированной системы водоотведения, представленной общесплавной и дождевой канализацией.

Прием и транспортировка поверхностных сточных вод, которые включают в себя дождевые, талые, поливомоечные и дренажные воды, производится по самотечным коллекторам с установленными на них КНС. Сточные воды, образуемые в следствие выпадения осадков, поступают в систему водоотведения через дождеприемные колодцы, установленные на коллекторах дождевой канализации. После прохождения по коллекторам дождевой канализации, поверхностные сточные воды поступают в естественные и искусственные водотоки, проходящие по территории города. Большая часть водовыпусков не оборудована очистными сооружениями, что оказывает отрицательное влияние на состояние водной системы и общую экологическую ситуацию в целом.

Основной водной артерией города Калининграда является река Преголя с впадающими в нее 14 водотоками, образующими вместе городскую водную систему. Система водоотведения города Калининграда тесно связана с колебаниями уровня воды в реке Преголя и с уровнем воды в Калининградском заливе.

Дренажная сеть представлена в виде открытой (каналы, кюветы, ручьи, лотки) и закрытой (самотечные трубопроводы) системой. В настоящее время в городе Калининграде функционируют как довоенные, так и новые дренажи.

Открытая осушительная сеть производит отвод излишков воды, образовавшихся в период весеннего половодья, выпадения обильных осадков, из поймы рек Товарная, русла Новая и Старая Преголя, Лаковка, Лесной, ручья Воздушного, Восточного и Лесного.

Существуют несколько типов закрытой дренажной сети. Для старой застройки характерен локальный дренаж отдельных зданий. Кроме того, имеется дренаж магистральных улиц и сопутствующий дренаж подземных коммуникаций.

На территории одноэтажной застройки распространен индивидуальный дренаж жилых домов, водоотведенние осуществляется преимущественно сетью каналов. В некоторых случаях дренажи отсутствуют, подвалы защищены гидроизоляцией.

На незастроенной территории расположен сельскохозяйственный дренаж с небольшой глубиной заложения, с густой сетью между дренами. Этот тип дренажа совмещен с открытой сетью и распространен в северной, северо-западной частях города, в южной части преобладает открытая сеть.

В городе Калининграде имеется широкая сеть дождевой канализации, как открытой, так и закрытой. Коллектора существующей дождевой канализации города Калининграда выполнены из бетонных, железобетонных, керамических и пластиковых труб, диаметром от 150 до 1900 мм. Общая протяженность коллекторов составляет 638 км.

До 1905 года в историческом кольце города велось строительство общесплавной канализации. По мере расширения городской застройки, строительство канализации осуществлялось по раздельной системе с водоотведением от отдельных бассейнов стока в водоемы и водотоки.

В состав сети дождевой канализации входят дождеприемные и смотровые колодцы, соединительные трубы, водоотводные и сбросные коллекторы с выпусками-оголовками.

Водная система города Калининграда приурочена к бассейну реки Преголя.

Все ее притоки делятся на искусственные (питьевой канал, река Голубая, значительное количество малых каналов, относящихся к системе центральной водопроводной станции ) и естественные (реки, ручьи, водоемы).

Водная система города, помимо рекреационной и эстетической, несет в себе функцию естественного дренирования территории. Поэтому от состояния водных объектов, степени их благоустройства, зависит санитарно-гигиеническое      и      эколого градостроительное благополучие городской территории. Для поддержания водных систем в рабочем состоянии необходимо проведение плановых работ по очистке русел от донных отложений, регулярные сезонные работы по очистке акваторий и прибрежной защитной полосы водных объектов и полос обслуживания (окос, уборка мусора), очистка поверхностных сточных вод.

К гидротехническим сооружениям, расположенных на водотоках города, относятся: дюкеры,    сороудерживающие    решетки, очистные сооружения, КНС.

На сегодняшний день, перекачку поверхностных сточных вод выполняют 9 КНС, установленных    на    сетях    системы централизованного водоотведения.

Общее количество существующих городских очистных сооружений на водотоках города —  12 штук. Они служат для предотвращения    загрязнения    водоемов взвешенными веществами, нефтепродуктами и т.п.

Поверхностные сточные воды, попадая на очистные сооружения, проходят две стадии очистки — отделение взвешенных веществ и удаление нефтепродуктов. В результате очистки вод от взвешенных веществ, образуется осадок, содержащий частицы песка и глины. При накоплении осадка производится очистка очистных сооружений, при этом отходы вывозятся на полигоны ГП КО «ЕССО» по адресу: Калининградская область, Неманский район, пос. Круглово или Барсуково.

Помимо     городских     очистных сооружений, у части абонентов, отводящих стоки     дождевой     канализации     в централизованную систему водоотведения, установлены локальные очистные сооружения. Локальными очистными сооружениями оборудованы многоквартирные жилые дома, социально-культурные              объекты, производственные здания.

На сегодняшний день в городе Калининграде существует централизованная система водоотведения поверхностного стока. Транспортировка стоков осуществляется за счет системы самотечных и напорных коллекторов. Для последующей транспортировки стоков, в местах где не возможен самотечный режим работы сети, установлены КНС. Протяженность сетей дождевой канализации составляет 638 км., в том числе внутриквартальные сети — 382 км., уличные сети — 256 км.

Основными проблемами в работе сети дождевой канализации являются: неудовлетво- рительное техническое состояние коллекторов, локальные повреждения труб сети дождевой канализации и колодцев, засорение колодцев и коллекторов песком и бытовым мусором.

Состояние сети дождевой канализации города Калининграда оценивается как неудовлетворительное. Территория города не охвачена в полной мере централизованной системой дождевой канализации и закрытой дренажной сетью. Физический износ большей массы существующих коллекторов составляет 20-100%, на значительной части территории города сети системы водоотведения вовсе отсутствуют. Таким образом, даже при не значительном выпадении осадков местами происходит подтопление придомовых и дворовых территорий, проезжей части и тротуара. В следствие чего происходит размыв грунта и разрушение асфальтового покрытия.

Положение усугубляется природными и климатическими факторами, характерными для территории региона, способствующими развитию процесса заболачивания и подтоплению. К ним относятся:

• -    переувлажнение территории, связанное с большим количеством атмосферных осадков в условиях гумидного климата (тип климата в областях с избыточным увлажнени ем, при котором количество атмосферных осадков больше, чем может испариться и просочиться в почву. Это формирует обильный поверхностный сток ручьев и рек, что способствует развитию эрозионных форм рельефа, густой гидрологической сети и процветанию влаголюбивых форм растительности) ;

• -    равнинный рельеф;

• -    суглинистые грунты, обладающие низкими фильтрационными свойствами и слабой водопередачей;

• -    близкое к поверхности залегание грунтовых вод.

Одной из актуальных на сегодняшний день проблем, является отсутствие очистных сооружений на выпусках в водные объекты при отводе поверхностного стока с селитебных и промышленных территорий. В следствие чего, происходит загрязнение водоемов и водотоков взвешенными веществами, нефтепродуктами, что не допустимо для водных объектов рыбохозяйственного назначения.

Остро стоит вопрос выявления и предотвращения несанкционированного сброса хозяйственно-бытовой канализации в водоемы и водотоки, а также незаконные подключения (врезки) граждан в коллектора дождевой канализации. В большинстве своем, не санкционированный сброс характерен для районов мало- этажной и частной застройки, а также дачных обществ. Несанкционированный сброс усугубляет загрязнение водоемов и водотоков.

Для четкой и своевременной работы по поддержанию работоспособности сетей и сооружений дождевой канализации и постоянного контроля за их техническим состоянием необходимо проведение мероприятий по пере-дачеинформации от сетей дождевой канализации и дренажа. Это даст возможность проводить работы по реализации утвержденной схемы дождевой канализации и гидросистемы города Калининграда, а также контролировать количество и качество сбрасываемых в водоток поверхностных вод.

На сегодняшний день, на объектах системы дождевой канализации отсутствуют системы диспетчеризации и телемеханизации. Регулирование работы насосных установок в КНС производится за счет установленных в приемных камерах поплавковых выключателей. В нефтеотделителях очистных сооружений установлена система сигнализации, оповещающая о необходимости прочистки нефтеулавливающих коалисцентных модулей.

В целях организации удаленного управления установленным оборудованием на объектах системы водоотведения, предусматривается внедрение системы диспетчерского управления. Данная система управления подразумевает наличие центрального пункта управления, куда будет приходить информация о текущих параметрах работы КНС и очистных сооружений, а также информация об изменении уровня воды в водотоках.

Из-за специфики работы очистных сооружений дождевой канализации и состав технологического оборудования, на очистных сооружениях следует производить следующие изменения:

• *    расход сточных вод, поступающих на очистку;

• *    расход очищенных сточных вод;

• *    уровень загрязнения на коалисцент-ных элементах нефтеотделителя.

Для производства контроля изменении уровня воды в водотоках следует выполнить:

• *    установку аквауровней на водотоках;

• *    установку поплавков;

• *    устройство шиберных задвижек на водовыпусках в водотоки.

Таким образом, создание общей автоматизированной диспетчерской системы регулирования водоотведения позволит оптимизировать работу системы водоотведения, решить проблему подтопления территорий, а также минимизировать загрязнение окружающей среды дождевыми сточными водами.

На рис. 2 представлен годовые суммы осадков в Калининграде по скользящим пятилетиям. Данные о суммах осадков в городе до 1994 годы взяты из книги [10] (с учетом восстановленных значений), с 1995 по 2015 годы из архива [11]. Линейный тренд показывает возрастание годовых сумм осадков за период наблюдений на 178 мм. Средняя годовая сумма осадков за весь период наблюдений 752 мм.

Рисунок 2 - Годовые суммы осадков в Калининграде по скользящим пятилетиям: 1 - линейный тренд

Расчеты сумм осадков в Калининграде выполнены по данным [12]. По рис. 3 видно, за счет осадков в каких месяцах произошло возрастание. Монотонный существенный рост осадков: январь-март, июнь; уменьшение в сентябре, небольшое уменьшение в июле.

Рисунок 3 - Среднемесячный суммы осадков в Калининграде: 1 – 1951-1980 годы; 2 – 1961-1990;

3 – 1971-2000; 4 – 1981-2010

По табл. 6 средняя сумма осадков за теплый период года (апрель-октябрь) выросла на 12 мм, по сравнению с данными СП [13] всего +3 мм. За холодный период года рост составил 49 мм (+16 мм по сравнению с СП [13]).

Таблица 6 - Суммы осадков в городе

Калининграде, мм

И о со о и	с и о С	Период расчета средних сезонных сумм осадков				Изменение сумм осадков за  1981 2010 годы по  срав нению с
		1951 1980	1961 1990	1971 2000	1981 2010	1951 1980	СП [13]
। ~ £ tO О ф Он н й о		484	499	495	496	+12	+3
ю й о к	40 О	273	304	309	322	+49	+16
Год	О\	757	803	804	818	+61	+19

В СП [13] приведен максимальный суточный максимум осадков 118 мм, который был зафиксирован 10 августа 2005. С точки зрения утвержденных расчетных методов необходима не величина фактически наблюдаемых осадков, а значение определенной обеспеченности (вероятности превышения). За период наблюдений 1891-1962 годы такие данные приведены в [14] (первая строка табл. 7). За 19632010 годы расчет выполнены по данным [11, 12]. Максимальные расчетные суточные осадки однопроцентной обеспеченности возросли с 120 до 127 мм.

Выводы

Уточнение методики расчета ливневой канализации является актуальной задачей, поскольку точность прогнозирования осадков не может быть повышена без учета современных данных по метереологическим наблюдениям.

Рассмотрены годовые суммы осадков в Калининграде по скользящим пятилетиям. Получено, что за 1963 – 2010 годы максимальные расчетные суточные осадки однопроцентной обеспеченности возросли с 120 до 127 мм.

Таблица 7 – Суточные максимумы осадков заданной обеспеченности по метеостанции Калининград, мм

ч о S о 1 К	СО й по по к ч по Рч и	Вероятность превышения, Р %						Максимум наблюдений
		o'	<л о			<л	о	S 1=5 по m
2 О ОО	о	ОО о		О	О			о
о о		о о			ОО о	ОО	о	ОО	н о й loT о

Показано, что основными проблемами в работе сети дождевой канализации являются: неудовлетворительное техническое состояние коллекторов, локальные повреждения труб сети дождевой канализации и колодцев, засорение колодцев и коллекторов песком и бытовым мусором.

В целях организации удаленного управления установленным оборудованием на объектах системы водоотведения, предлагается внедрение системы диспетчерского управления.