Условия формирования поверхностного стока

Чтобы правильно оценить поверхностный сток во время ливней с освоенных территорий, следует понимать суть процесса формирования стока и знать все влияющие на него факторы.

При выпадении осадков значительная часть их либо испаряется, либо поглощается или остается на поверхности, на которую они выпали. Среднее годовое испарение меняется от 200 мм в условиях холодного и влажного климата до 2000 мм в жарких засушливых районах. Его максимальная интенсивность может достигать 0,3 мм/ч. Хотя интен­сивность испарения мала по сравнению с интенсивностью осадков (напри­мер, несильный ливень может иметь интенсивность более 10 мм/ч), испарение продолжается и после прекращения дождя. Поэтому общие потери с крупных водосборов и водосборов с большим временем концен­трации стока могут быть значительными.

Часть дождевых осадков будет задерживаться растительностью. Возможный суммарный перехват осадков деревьями находится в пределах 2-10 мм. Происходит задержание и накопление осадков в углублениях поверхности. Наблюдения показывают, что величина задержанного слоя воды, как бы потерянного для стока, составляет: 5 мм на песке, 4 мм на газонах и 3 мм на глинистых поверхностях, в общем, потери изменяются от 1 мм на мощеных поверхностях до 10 мм в садах.

Вода, выпадающая на пористые поверхности, просачивается в них со скоростью U_ф, которая зависит от водопроницаемости поверхности

грунта и начального влагосодержания. За период ливня интенсивность инфильтрации уменьшается по мере заполнения водой пор грунта и подъема водного зеркала. Интенсивность инфильтрации за 1 ч можно с достаточной точностью принять: для глины - 0,2-2 мм/ч, для суглинка -2-10 мм/ч и для песчаных почв-12-25 мм/ч. При наличии растительного покрова эти значения могут возрасти до 200 мм/ч на засеянном поле с песчаной почвой.

Для задержания стока на месте его формирования целесообразно выводить водосточные канавы и трубы на водопроницаемые и занятые растительностью участки. Аккумулируемая вода распространяется при этом на большой площади, и ее слой оказывается совсем незначительным. На территориях, совершенно не имеющих открытой поверхности, следует создавать бассейны-накопители и пористые поверхности, устраивать небольшие сети ливневой канализации из труб с ограниченной пропускной способностью.

Снижение интенсивности стока позволяет уменьшить эрозию почв и концентрацию загрязняющих веществ. В некоторых странах, чтобы ослабить концентрацию стока, устраивают крыши без водосточных желобов. Если сток с крыш направить в сад или огород, он будет задерживаться и интенсивность его уменьшится.

В плотно застроенных торговых и промышленных районах для задержания стока можно использовать автостоянки. Рядом с автосто­янками устраиваются пористые обочины для поглощения или переме­щения избыточного стока (см. рис. 1.9). На них будет также перехва­тываться неканализованный (склоновый) сток и замедляться поступление воды в коллекторы дождевой канализации.

Сток с водосбора после выпадения дождя возрастает до некоторого максимума и затем убывает. Гидрограф представляет собой график расходов воды в различные моменты времени. Форма гидрографа зависит от многих факторов, в том числе от характеристик ливня и рельефа водосбора. Форма ветви подъема гидрографа зависит от интенсивности концентрации избыточных осадков или стока. На первой стадии ливня часть выпавших на водосбор осадков не будет участвовать в стоке вследствие аккумуляции на поверхности потерь на инфильтрацию.

В процессе дальнейшего выпадения дождя потери будут уменьшаться и все большее количество осадков начнет участвовать в стоке. Поэтому расходы на ветви подъема гидрографа будут возрастать по экспонен­циальной зависимости. Через некоторое время сток с самых удаленных частей водосбора достигнет замыкающего створа (время концентрации стока) и расходы перестанут расти. После уменьшения притока (снижения интенсивности выпадения осадков) сток будет убывать на ветви спада гидрографа асимптотически. Продолжающиеся потери с поверхности могут быстро уменьшить сток до нуля. С другой стороны, уровень подземных вод может подняться так высоко, что водоносные слои станут отдавать часть запаса, увеличивая общий расход.

При организации системы водоотведения надо знать расчетные характеристики стока.

Лекция 5 Сооружения для очистки поверхностных вод(продолжение).

План:

Сток талых вод

Отведение воды с автомобильных дорог.

Течение воды в кюветах

Дождеприемники

Характеристика поверхностного стока

Сток талых вод

Сток талой воды завершает процесс, начинающийся после выпадения снега на земную поверхность. Снеготаяние обычно начинается весной. Определяющую роль в этом процессе играют метеорологические факторы. Период снеготаяния может занимать от нескольких часов и суток до нескольких месяцев. В свежевыпавшем снеге отношение объема воды, заключенной в снежном покрове, к объему снега составляет около 10%. Плотность снега изменяется от 0,5; 0,07 до 0,14 г/см³. С течением времени снег оседает, сжимается, и его плотность увеличивается до 50 % и более. Температура в глубине снежного покрова значительно ниже точки замерзания. При положительных температурах воздуха происходит таяние снега на поверхности снежного покрова. Первые порции талых вод просачиваются в толщу снежного покрова на небольшую глубину и снова замерзают там при соприкосновении с холодным снегом. В ходе повторного замерзания высвобождается скрытая теплота плавления, что повышает температуру снежного покрова. Тепло проникает вглубь снежного покрова из воздуха и почвы. При длительном потеплении вся

снежная толща прогревается и, наконец, достигает температуры 0°С. Талая вода стекает через слежавшийся снег, и первые ее порции удержи­ваются на снежных кристаллах в виде капиллярной и пленочной воды. До этого момента плотность снега возрастает. При превышении водоудерживающей способности снега талая вода начинает просачиваться до грунта, и вода стекает по поверхности почвы.

Если интенсивность таяния снега превышает инфильтрационную способность почвы, то избыточная вода из образовавшегося слоя, насыщенного водой, стекает по поверхности. Если теплая погода не сменя­ется похолоданием, процесс таяния поддерживается до полного исчезно­вения снежного покрова. Качество снега связано с содержанием льда в слое снега, т.е. отношением массы льда, находящегося в снеге, к общей массе снега. Это отношение обычно близко к 0,95, однако, в периоды быстрого таяния оно может падать до 0,7. Средняя плотность снежного покрова в зимние месяцы составляет 0,2 г/см³, а весной -до 0,3 г/см³.

Снег плохой проводник тепла. Теплопроводность свежевыпавшего снега в 10 раз больше теплопроводности воздуха, но в 100 раз меньше теплопроводности почвы. Поэтому снежный покров предохраняет почву от глубокого промерзания. Температура поверхности почвы, покрытой

снежным покровом, на 15-20°С выше температуры поверхности снега при сильных морозах.

Среднее значение альбедо в период таяния снега обычно принимается 50 %. Альбедо (белизна) - величина, характеризующая способность поверхности какого-либо тела отражать (рассеивать) падающее на нее излучение.

Наиболее обоснованным методом расчета интенсивности таяния снега, учитывающим составляющие теплового баланса снежного покрова, является метод П. П. Кузьмина. В приближенных расчетах используются эмпирические формулы. Так, по формуле Е. Г. Попова можно рассчитать интенсивность таяния снега, как за сутки, так и раздельно за дневные и ночные часы в зависимости от средней, максимальной и минимальной температуры воздуха и скорости ветра. Наиболее простым и, конечно, приближенным методом расчета интенсивности таяния (мм/сут) является метод температурных коэффициентов:

a = k_c∑ t₂ ,                                                            (3.1)

где k_с - коэффициент, зависящий от комплекса физико-географических условий, определяющих тепловой баланс толщи снега в период таяния;

∑ _t2 - сумма положительных среднесуточных значений температуры воздуха на высоте h = 2 м.

Коэффициент k_с выражает слой талой воды в мм на 1 °С положи­тельной средней суточной температуры воздуха и называется коэффици­ентом стаивания. Его значения меняются по годам и районам, зависят от метеорологических условий периода таяния снега, характера весны и подстилающей поверхности. По данным Кузьмина, в дружные весны

k_с =6 мм/°С, а в затяжные k_с > 2,5 мм/°С.

Максимальные расходы весенних талых вод вызываются следую­щими основными факторами: энергией солнечной радиации; соприко­сновением снега с поступающим извне теплым воздухом; жидкими атмосферными осадками (дождем). Весеннее снеготаяние обычно протекает неравномерно, нередко прерываясь одним-двумя морозными днями. В каждом отдельном случае ход весеннего снеготаяния в известной степени характеризуется ходом изменения температуры воздуха за период снеготаяния. Средняя интенсивность снеготаяния, выраженная количеством талой воды (л/(с ∙ га)), может быть получена по формуле

q_сн = 1,16p_c h_c / T_c ,                                 (3.2)

где h_c - высота снежного покрова к началу снеготаяния, см; р_с - плот­ность снега (для весны можно считать р_с = 0,3 г/см³); Т_с - продолжи­тельность снеготаяния, сут.

Величины h_c и Т_с - средние за долголетний период по данным метеостанций. Из-за неравномерности снеготаяния по отдельным дням, а также часам суток можно учитывать не всю продолжительность снеготаяния Т_с за сутки, а лишь за дневные часы интенсивного таяния. Максимальный расход талых вод при стоке с относительно небольших бассейнов возникает при максимальной интенсивности снеготаяния.

Энергия солнечной радиации в период весеннего снеготаяния при ясном небе для всех широт России в среднем равна 1 кал (4,187 Дж) на 1 см²/мин. Следовательно, вызываемая ею интенсивность снеготаяния (в слое талой воды) составляет

q₁ = 1,0 ∙10 ∙ 60/80 = 7,5 мм/ч,

Количество тепла (кал-см²/ч), получаемое снегом от нагретого воздуха, можно оценить по формуле

где и_в - скорость ветра, м/с; Т - абсолютная температура воздуха; (t_в - t_c) - разность температур воздуха и снега.

Расчеты по этой формуле при и_в = 3 - 5 м/с и t_в = 10 - 12 °С показы­вают, что максимальная интенсивность снеготаяния может достигать 4-7 мм/ч. Высота слоя воды (мм), получающейся от таяния снега в результате выпадения дождя, может быть получена по формуле

где h_д - слой дождя, мм; t_д- температура дождя; р_с - плотность снега (0,3 г/см³).

При t_д= 5°С и h_a = 15мм величина t_т.в получается равной 3,75 мм. Таким образом, средний максимум интенсивности снеготаяния  находится в пределах 6-12 мм/ч, что близко к экспериментальным данным (в Воронежской области - 9,67 мм/ч; под Москвой - 3 мм/ч, на Валдае -6 мм/ч).