Оценка эффекта применения природоподобных решений в управлении ливневыми водами на примере бывшей промышленной зоны в г. Москве

Полный текст

Введение

Проблема изменения климата стоит достаточно остро не только в связи с последствиями для продовольственной безопасности, но и влиянием на комфортность и безопасность жизни в городах ¹. Согласно шестому оценочному докладу ООН риски климатических изменений в ближайшие десятилетия будут только нарастать, при этом будет увеличиваться уязвимость городских экосистем [1–3]. Увеличение выбросов парниковых газов напрямую приводит к повышению температуры, в результате чего южные циклоны проходят дальше на север, приводя к увеличению экстремальных ливневых осадков на территориях, для которых ранее такие погодные явления не были характерными. Так, за последние 30 лет количество ливневых осадков, нанесших ущерб и вред экономике и населению России, увеличилось в несколько раз [4]. При этом в городах с большим количеством в атмосфере аэрозолей, выступающими в виде ядер концентраций, частота сильных дождей значительно выше, чем на фоновых территориях ².

Наряду с рисками затопления, активный поверхностный сток способствует переносу различных загрязняющих веществ [5, 6]. Так, например, основным источником загрязнения окружающей среды в Московском мегаполисе является автотранспорт, помимо атмосферы, активный перенос дождевым и талым стоком продуктов использования горюче-­смазочных материалов и эксплуатации автомобилей (например, образующихся в ходе износа шин и тормозных колодок) загрязняет природные компоненты городской экоситемы [7–9].

Рост численности городского населения приводит не только к увеличению площади урбанизированных территорий, но и к более эффективному использованию внутригородских территорий, например, проект Правительства Москвы по комплексному развитию территорий предусматривает освоение бывших промышленных зон ³ под новые точки притяжения, включая селитебные, общественные и рекреационные объекты. Это одна из эффективных стратегий мастер-­планирования городов. Однако, промышленные территории отличаются низкой долей озеленения, загрязненными грунтами и преобладанием незначительных уклонов от 0,003 до 0,05 ⁴, что повышает стоимость реализации объектов, удешевить которую в значительной степени позволяет организация новых пространств с минимальными изменениями уклонов (до 0,005), однако, такой подход может осложнять поверхностный сток на озелененных участках.

Устройство традиционных систем ливневой канализации является сложным и дорогостоящим мероприятием независимо от функционального назначения объекта [10]. При этом одним из важнейших вопросов является решение по сбросу отводимой по сети ливневой канализации поверхностных сточных вод, в т. ч. подвергшихся очистке. Сложности возникают и с подключением подземной трубопроводной сети дождевой канализации крупных объектов застройки к существующим коллекторам, которые, как правило, и так перегружены [11]. В случае отсутствия поблизости к проектируемому объекту доступных для подключения централизованных систем отведения поверхностного стока появляется необходимость проектирования отдельной автономной системы ливневой канализации, включающей трубопроводную сеть и очистные сооружения перед сбросом в водный объект. При этом получившие распространение очистные сооружения механической и физико-­химической очистки поверхностного стока характеризуются высокой стоимостью строительства и эксплуатации, а также приводят к отчуждению территории на площадке застройки под строительство очистных сооружений [12]. Дополнительно усложняет и удорожает водоотведение отсутствие выраженного уклона территории со значительной площадью, т. е. при самотечной работе сетей ливневой канализации увеличивается глубина заложения сети на концевых участках.

Поэтому в современном городе необходимо организовывать устойчивое управление поверхностным стоком за счет озеленения и архитектурно-­планировочных решений улиц и рекреационных зон. В конце 2021 г. на выездном заседании комитета по науке, образованию и культуре были представлены положения Стратегии развития природоподобных (конвергентных) технологий в РФ, которая подчеркивает важность замены или дополнения промышленных технологий природоподобными технологиями, не наносящими вред окружающей среде ⁵. Одним из инструментов развития водно-­зеленой инфраструктуры города является проектирование дождевых садов. Это элемент озеленения, представляющий собой пониженный участок рельефа, как правило заполненный почвогрунтом с высаженными многолетними травянистыми растениями, который принимает сток от дождей и талого снега. Попавший в дождевые сады сток впитывается в грунт или медленно выпускается в ливневую канализацию, тем самым снижая нагрузку на систему ливневой канализации и очистные сооружения как по пиковым расходам и общему объему отводимых вод, так и по загрязняющим веществам.

В дождевые сады высаживается ассортимент из морозоустойчивых влаголюбивых растений, способных впитывать и очищать воду в необходимых объемах. При этом дождевые сады в отличие от традиционных очистных сооружений не изымают территорию из использования, а органично вписываются в нее и являются элементами благоустройства и озеленения. Благодаря использованию трав и цветущих многолетних растений дождевые сады являются эффективным и красивым способом отведения поверхностного стока в городских общественных пространствах.

Однако, на текущий момент по внедрению природоподобных решений Россия значительно отстает от стран ЕС, США и Китая. Например, в США первые дождевые сады появились в 1990-х гг. [13, 14]. Технология быстро набрала популярность сначала в США, а затем распространилась по всему миру, тогда как в России дождевые сады начали появляется совсем недавно с Санкт-­Петербурга ⁶, Перми ⁷ и Тюмени ⁸. Одно их основных ограничений для широкого распространения водно-­зеленых решений является недостаток убедительных доказательств их эффективности. Поэтому целью исследования стала оценка эффекта применения природоподобных решений для снижения проблем затопления территории с минимальным уклоном и снижения нагрузки на ливневую канализацию.

Материалы и методы исследования

Объект исследования — бывшая промышленная территория в Даниловском районе Южного административного округа города Москвы общей площадью 113 га, что составляет практически 10 % от площади района по данным ресурса OpenStreetMap.ru. Архитектурно-­градостроительная концепция реорганизации объекта исследования в селитебную зону, принятая в 2016 г., помимо жилой зоны включила в себя зеленые насаждения, общественно-­деловой кластер, а также объекты школьного и дошкольного образования ⁹ (рис. 1).

Рис. 1. Планировочная структура проектируемой территории к реконструкции
Источник: выполнила О.Н. Ромзайкина с помощью ArcGIS Pro 3.2
Fig. 1. Planning structure of the designed area to be reconstructed
Sourse: created by O.N. Romzaykina using ArcGIS Pro 3.2

Объект исследования относится к умеренно-­континентальной климатической зоне и расположен на I и II надпойменных террасах древнеаллювиальной равнины в окружении ровной и мелковолнистой поймы Москвы-реки [15]. По данным метеостанции Балчуг за последние 10 лет среднегодовые значения температуры составляет +8,1 °C, минимальное значение температуры зафиксировано 07.01.2017 (–27,8 °C), а максимальное — 23.06.2021 (+35,8 °C). Среднее годовое количество осадков составляет 520 мм, максимальное количество за 12 часов — 44 мм — зафиксировано 08.07.2018. Устойчивый снежный покров зачастую лежит со второй декады ноября по начало апреля, среднегодовая высота снежного покрова составляет 20,6 см, максимальная высота отмечена 15.03.2022 — 164 см.¹⁰

Существующая древесная растительность покрывает менее 10 % территории преимущественно по краю и представлена в основном самосевом молодой поросли таких видов как тополь белый (Populus alba), тополь обыкновеный (Populus sp.), береза повислая (Betula pendula), клен ясенелистный (Acer negundo), осина обыкновенная (Populus tremula). Почвы представлены техногенно измененными грунтами (урбоквазиземами), преимущественно легкого гранулометрического состава (песок и супесь), с большим количеством антропогенных включений. Проектом предусмотрено создание новых рекреационных зон и озеленение дворов, школ, общественных зон и межквартальных территорий.

Пространственный анализ включал в себя оцифровку мастер-­плана территории, построение цифровой модели рельефа (ЦМР) по данным геодезической съемки (8025 точек), определение уклонов поверхности в процентах. Данный блок исследования, включая расчет баланса территории и зональной статистики растровых данных, проведен с использованием программного обеспечения ArcGIS Pro 3.2. Моделирование системы водотоков и оценка типов водосборной поверхностей произведены в программном обеспечении Autodesk AutoCAD Civil 3D.

Анализ характеристик поверхностного стока на территории. Для снижения объемов и расходов отводимого по системе ливневой канализации стока предлагается устройство сооружений водно-­зеленой инфраструктуры для приема слабозагрязненного поверхностного стока с кровель, тротуаров и озелененных территорий перед сбросом в канализацию. Сток с автодорог при этом предлагается направлять через дождеприемники напрямую в систему ливневой канализации и далее на очистные сооружения. В связи с этим в последующих расчетах оценивались объемы стока без учета площадей автомобильных дорог.

В исследовании было рассмотрено два расчетных случая: 1) когда дождевые сады рассчитаны на прием 70 % годового объема поверхностного стока (сток от дождей с периодом однократного превышения Р = 0,1 года), что соответствует требованиям п. 7.3.2 СП 32.13330.2018 ¹¹ для селитебных территорий); 2) когда дождевые сады рассчитаны на прием 100 % годового объема (сток от дождей с периодом однократного превышения Р = 1 год) поверхностного стока. Для обоих случаев выполнена оценка величины сокращения расчетных расходов стока, отводимых по системе ливневой канализации.

Суммарный объем чаш дождевых садов рассчитан на прием стока от расчетного дождя. Величина расчетного суточного слоя осадков для обоих случаев была принята на основании статистически обработанных данных многолетних наблюдений на ближайшей репрезентативной метеостанции М-2 Москва ВДНХ (СИ — 27612)¹⁰.

Расчетный объем стока W_д, отводимого на очистку (принимаемого дождевыми садами), определялся по формуле

W_д = 10hа∙ψ_midF,                      (1)

где 10 — переводной коэффициент; hа — максимальный суточный слой осадков за дождь, сток от которого подвергается очистке в полном объеме, мм; Ψ_mid — средний коэффициент стока для расчетного дождя (определяется как средневзвешенное значение в зависимости от постоянных значений коэффициента стока Ψi для разного вида поверхностей); F — площадь стока, га.

Суммарная площадь дождевых садов определялась как отношение объема стока от расчетного дождя, принимаемого дождевыми садами, к расчетной глубине чаш дождевых садов, принятой за 30 см.

После определения общей площади дождевых садов производился уточняющий расчет коэффициента стока ψ_mid’ и коэффициента покрова z_mid’, так как площадь дождевых садов изымалась из площади озеленения. Коэффициенты стока и покрова поверхности дождевых садов при этом принимались как для водонепроницаемых поверхностей.

Ввиду того, что концепция применения сооружений водно-­зеленой инфраструктуры предполагает равномерное распределение сооружений по канализуемой территории, дальнейшие расчеты проводились на единичный условно-­типовой дождевой сад площадью 30 м².

Далее проводился расчет расходов, поступающих в дождевой сад. Соотношение площади единичного дождевого сада к площади его водосбора и средневзвешенный коэффициент покрова водосбора при этом принимались аналогичными значениям для всей функциональной зоны.

При гидравлическом расчете сетей водоотведения поверхностных сточных вод расходы в сетях водоотведения, л/с, отводящих сточные воды с селитебных территорий, определялись методом предельных интенсивностей, согласно методике, представленной в приложении Ж СП 32.13330.2018¹¹:

${q_r = \frac{z_{mid}A^{1,2}F}{t_r^{1,2n-0,1}}}$,                               (2)

где A, n — параметры, характеризующие интенсивность и продолжительность дождя для конкретной местности; z_mid — среднее значение коэффициента покрова, характеризующего поверхность бассейна стока, определяемое как средневзвешенное значение коэффициентов поверхностей на территории водосбора; F — расчетная площадь стока, га; t_r — расчетная продолжительность дождя, равная продолжительности протекания поверхностных вод по поверхности, лоткам и трубам до расчетного участка, мин.

Параметры, характеризующие интенсивность, определялись по формуле

A = q₂₀₂₀ⁿ _{(1+lgP/lgmr)γ} ,                             (3)

где q₂₀ — интенсивность дождя для данной местности продолжительностью 20 мин при Р = 1 год; n — показатель степени; m_r — среднее количество дождей за год; Р — период однократного превышения расчетной интенсивности дождя, годы; γ — показатель степени.

Время добегания стока до расчетного створа t_r дождеприемника в случае отсутствия дождевых садов и входа в дождевой сад при их наличии определялось по формуле

t_r = t_con + t_can,                              (4)

где t_con — продолжительность протекания дождевых вод до уличного лотка (время поверхностной концентрации), принимается равным 2 мин, согласно п. Ж.6 приложения Ж СП 32.13330.2018⁹; t_can — продолжительность протекания дождевых вод по уличным лоткам определяется по формуле

${t_{can} = 0,021 \sum \frac{l_{can}}{v_{can}}}$,                        (5)

где l_can — длина участков лотков, м, принимается равной длине диагонали квадрата с площадью равной площади водосбора дождевого сада; v_can — расчетная скорость течения стока на участке, принимаемая 0,7 м/с.

Объем дождевого стока V_д, прошедшего через расчетный створ (поступившего в дождевой сад или дождеприемник) за произвольный период t_r, определяется как произведение расхода в конце периода времени Q_r(t_r) на его продолжительность по формуле

V_д = t_r ∙ Q_r(t_r).                         (6)

Перелив поверхностного стока в систему ливневой канализации наступает в момент заполнения «чаши» дождевого сада. Расход перелива Q_r^пер определяется как расход дождевого стока по формуле (2) в момент заполнения «чаши» дождевого сада t_r^зап при V_д = V_ч ДС. Объем чаши дождевого сада V_ч ДС определяется как произведение его площади S_дс на глубину h_дс, принимаемую 0,3 м, на основании рекомендаций по проектированию дождевых садов ^12, 13, 14.

Максимальный расход дренажных вод (фильтрата) Q_др, прошедших через фильтрующую загрузку дождевого сада, определяется по формуле

Q_др = S_дс∙ v_дс^max,                                (7)

где S_дс — площадь дождевого сада в плане, м²; v_дс^max — максимальная (начальная) пропускная способность фильтрующей загрузки дождевых садов на основании рекомендаций по проектированию дождевых садов принимается 0,3 м/ч.

Величина относительного сокращения расчетного расхода в системе ливневой канализации после дождевых садов ΔQ для двух расчетных случаев определена по формуле

${  Δ Q =  \frac{Q_r^{P=1} - Q_r^{пер} + Q_{др}}{Q_r^{P=1}}   \cdot 100$,                        (8)

где  ${  Q_r^{P=1} }$ — расчетный расход от дождя с Р = 1 год; ${ Q_r^{пер} }$ — расчетный расход перелива дождевого сада; ${ Q_{др} }$ — расход дренажного стока (фильтрата) дождевого сада, прошедший через фильтрующую загрузку.

Результаты исследования и обсуждение

Оценка благоприятности уклонов проектируемой территории. Исходная территория для будущего жилищного комплекса отличается незначительным перепадом рельефа. 7/8 участка располагается на высоте с перепадом от 121 до 124 м над уровнем Балтийского моря, также на объекте есть незначительные повышения (124…129 м) в зоне с проектируемыми объектами озеленения (рис. 2).

Рис. 2. Цифровая модель рельефа объекта исследования
Источник: выполнила О.Н. Ромзайкина с помощью ArcGIS Pro 3.2
Fig. 2. Digital elevation model of the study site
Sourse: created by O.N. Romzaykina using ArcGIS Pro 3.2

Результаты моделирования уклонов поверхности территории показали, что 2/3 территории без учета автомобильных дорог имеют благоприятный уклон для застройки и поверхностного стока — свыше 0,005 (0,5 %), но не более 0,1 (10 %). При этом наиболее неблагоприятные участки с уклоном ниже 0,003 (0,3 %) составляют 13,7 % территории, что в пересчете на общую площадь представляет собой более 13,0 га (рис. 3, табл. 1).

Рис. 3. Картосхема уклонов поверхности объекта исследования (а) и распределение неблагоприятных уклонов по функциональным зонам (б)
Источник: выполнила О.Н. Ромзайкина с помощью ArcGIS Pro 3.2

Fig. 3. Map of surface slopes of the study site (а) and distribution of unfavorable slopes by functional zones (б)
Sourse: created by O.N. Romzaykina using ArcGIS Pro 3.2

Если рассматривать распределение уклонов по функциональным зонам, то практически половина от общей доли участков с уклоном ниже 0,003 (0,3 %) располагается на дворовых территориях — 5,1 га, а также в зоне проектируемых школ и дошкольных учреждений — 4,4 га. Однако, в процентном соотношении для вторых — это 35,2 %. Территории с уклоном от 0,3 до 0,5 % будут обладать минимальным уклоном для формирования стока по твердым покрытиям, однако, в отличие от зеленых насаждений, создание дорожно-­тропиночной сети подразумевает под собой мероприятия по вертикальной планировке и созданию как продольных, так и поперечных уклонов. Тогда как уклоны ниже 0,3 % будут по-прежнему недостаточны для формирования стока на озелененных участках, где вертикальная планировка не всегда предусматривается проектами. Таких участков на территории гораздо меньше (общая площадь равна 7,5 га), и они сконцентрированы в основном по периметру участков с недопустимыми уклонами (см. рис. 3). Практически половина таких участков располагается на территориях дворов, занимая суммарную площадь в 3,4 га, а в зоне планируемых парков участки с уклонами от 0,3 до 0,5 % занимают 1,9 га, на территориях школ и дошкольных учреждений — 1,3 га. Наиболее благоприятные исходные условия характерны для общественно-­деловой зоны (табл. 1).

Таблица 1. Баланс функциональных зон и доля площадей с различными категориями уклонов на территории исследования

Функциональные зоны	Площадь, га	Доля территории с уклоном,%
		< 0,3	0,3…0,5	0,5…1	1…5	> 5
Дворовые территории	41,81	12,3	8,1	17,5	53,4	8,7
Общественно-­деловая зона	12,99	4,0	7,3	21,1	60,0	7,7
Зеленые насаждения (парки)	27,44	10,6	6,9	16,5	53,5	12,6
Образовательные учреждения (школы и детские сады)	12,74	35,2	10,3	16,8	36,5	1,3
Общая площадь (без учета автомобильных дорог)	94,98	13,7	7,9	17,6	52,1	8,7

Table 1. The balance of functional zones and the proportion of areas with different categories of slopes in the study area

Functional areas	Area, ha	The share of the territory with a slope,%
		< 0.3	0.3…0.5	0.5…1 %	1…5 %	5 %
Yard territory	41.81	12.3	8.1	17.5	53.4	8.7
Public and business area	12.99	4.0	7.3	21.1	60.0	7.7
Green spaces (parks)	27.44	10.6	6.9	16.5	53.5	12.6
Educational institutions (schools and kindergardens)	12.74	35.2	10.3	16.8	36.5	1.3
Total area (excluding highways)	94.98	13.7	7.9	17.6	52.1	8.7

Оценка условий образования поверхностного стока. Природоподобные решения направлены на решения вопросов с перехватом стока и его инфильтрацией на локальном, а не общегородском уровне. Для проверки гипотезы о целесообразности использования природоподобных решений в качестве альтернативы работ по сплошной вертикальной планировке были проведены моделирование системы водотоков и оценка типов водосборной поверхностей на объекте исследования. Анализ водостоков позволил выявить траектории течения стока и определить места затопления. Водосборные бассейны стока были рассчитаны по 5 различным типам, чтобы выявить водосборы впадин (депрессионных форм рельефа) и горизонтальные водосборы, которые больше всего подходят для размещения локальных природоподобных решений. Оценка типов водосборов поверхностей позволила сделать вывод, что на территории преобладают водосборы впадин (экспликация красным цветом). В таких областях есть участки понижений, в которые стекает вода и образуется неопределенный сток. Именно на таких участках понижений предпочтительно устраивать линейные дождевые сады для увеличения скорости инфильтрации. В местах водосборов горизонтальной области (экспликация желтым цветом) целесообразно устраивать полигональные природоподобные решения, например, сухие пруды, такой тип решений предпочтителен для рекреационных объектов. Комбинация двух типов анализа позволяет сделать вывод, что на участках проектируемых школ и дошкольных учреждений предпочтительно устраивать протяженные дождевые сады, тогда как, например, в дворовой зоне есть участки, где целесообразнее размещать как линейные дождевые сады, так и дождевые сады сложной формы, образующие сеть водно-­зеленых решений.

Рис. 4. Картосхема траекторий потоков воды и типов водосборов на объекте исследования
Источник: выполнила А.А. Бубушян с помощью Autodesk AutoCAD Civil 3D

Fig. 4. Map of water flow trajectories and catchment types at the study site
Sourse: created by A.A. Bubushyan using Autodesk AutoCAD Civil 3D

Оценка количественных характеристик поверхностного стока. Данный блок исследований был направлен на определение наиболее эффективной доли водно-­зеленых решений для предотвращения временного подтопления территории в ходе ливневых осадков с помощью инфильтрации.

На основании обработки метеоданных о распределении суточных слоев дождевых осадков за теплый период года (рис. 5) по методике, представленной в приложении Е СП32.13330.2018¹¹, была определена величина слоя осадков, обеспечивающих 70 и 100 % годового объема. Так, максимальный суточный слой дождевых осадков, при котором обеспечивается прием на очистные сооружения 70 % суммарного годового количества осадков (hа70 %), составил 7,24 мм, а 100 % суммарного количества годового осадков (hа100 %) — при слое 30 мм.

Рис. 5. Распределение суточных слоев дождевых осадков за теплый период
Источник: выполнил И.С. Щукин

Fig. 5. Distribution of daily rainfall layers for the warm period
Sourse: created by I.S. Shchukin

При анализе водосборной поверхности различных функциональных зон дополнительно были определены площади озеленения, кровель, непроницаемых и проницаемых покрытий на основе оцифрованного генерального плана концепции территории. Открытые поверхности (озеленение) составляют 42,5 % (40,37 га) от площади без учета автомобильных дорог. Данный тип поверхностей включает в себя не только парки, но и внутри- и межквартальное озеленение. Доля пешеходных асфальтированных тротуаров и площадок составляет 12,1 %, а водопроницаемых покрытий (включая плитку, песок и набивные типы покрытий) — 25,6 %, кровли зданий и сооружений — 19,8 %. Таким образом, территория жилого комплекса обладает достаточно высоким уровнем запечатанности в сравнении с дистанционными исследованиями на уровне города [16], однако, если рассматривать Южный и Центральный административные округа, где значения запечатанности свыше 60 % (по данным OSM), а также учитывать высокую долю водопроницаемых покрытий объекта исследования, то территория проектирования имеет благоприятные исходные условия фильтрации поверхностного стока без учета данных о ливневой системе.

С учетом типов и площадей поверхности на основе табличных значений СП 32.13330.2018¹¹ были также вычислены средневзвешенные значения коэффициентов стока и покрова для каждой функциональной зоны и объекта в целом (табл. 2).

Таблица 2. Параметры водосборной площади различных функциональных зон

Функциональная зона	Площадь водосборных поверхностей, га					Коэффициент стока Ψmid	Коэффициент покрова zmid при Р = 1 год
	Fобщ	Озеленение	Кровли	Непроницаемые покрытия	Проницаемые покрытия
Дворовые территории	41,81	10,73	12,35	7,29	11,44	0,64	0,198
Общественно-­деловая зона	12,99	4,72	3,24	1,38	3,66	0,54	0,173
Зеленые насаждения (парки)	27,44	19,67	0,74	0,15	6,88	0,25	0,092
Образовательные учреждения	12,74	5,25	2,49	2,67	2,34	0,54	0,166
Итого	94,98	40,37	18,82	11,49	24,32	Cредневзв. 0,37	Средневзв. 0,160

Table 2. Parameters of the catchment area of various functional zones

Functional areas	Catchment area, Ha					Drain coefficient Ψmid	The coefficient of protection zmid Р = 1
	F total	Green zones	Roofs	Impermeable coatings	Permeable coatings
Yard territory	41.81	10.73	12.35	7.29	11.44	0.64	0.198
Public and business area	12.99	4.72	3.24	1.38	3.66	0.54	0.173
Green spaces (parks)	27.44	19.67	0.74	0.15	6.88	0.25	0.092
Educational institutions	12.74	5.25	2.49	2.67	2.34	0.54	0.166
Total area	94.98	40.37	18.82	11.49	24.32	Weighted average 0.37	Weighted average 0.160

Расчеты снижения расходов при устройстве дождевых садов показали, что площадь дождевых садов, определенная для приема поверхностного стока от осадков со слоем 7,24 мм, который обеспечивает 70 % годового объема поверхностного стока, составляет 0,6…1,5 % площади водосборной территории для различных функциональных зон. При этом данной площади дождевых садов недостаточно для снижения пиковых расходов от расчетных дождей с периодом однократного превышения Р = 1 год. В случае с пиковыми расходами площади дождевых садов увеличиваются с 2,5 до 6,4 % от общей площади водосбора. Полученные результаты на полностью совпадают с рекомендациями, разработанными для разных штатов США, где площадь дождевых садов рекомендуют принимать за 5…8 % от доли запечатанных покрытий. Так в случае с приемом дождя 7,24 мм (P = 0,1) площади дождевых садов для всех зон, за исключением парков, варьируют в диапазоне 3,2…3,7 % от доли запечатанных покрытий, а в случае с расчетами для дождей P = 1 — от 13,2 до 15,3 % ¹⁵. Однако, при таком сравнении следует принимать во внимание климатические различия, сказывающихся на объеме дождевых осадков.

Таблица 3. Расчеты снижения расходов при устройстве дождевых садов для объекта исследования

Характеристика расчета	Дворовые территории	Общест­венно-­деловая зона	Зеленые насаждения	Образовательные и дошкольные учреждения	Дворовые территории	Общест­венно-­деловая зона	Зеленые насаждения	Образовательные учреждения
	Дождь Р = 0,1 год				Дождь Р = 1 год
Расчетный объем стока с территории, м3	1928,2	511,0	503,5	494,5	7978,8	2114,6	2083,3	2046,1
Общая площадь дождевых садов Sдс , м2	6427,3	1703,4	1678,2	1648,2	26595	7048,6	6944,2	6820,2
Sдс /Sвдсбр ,%	1,5	1,3	0,6	1,3	6,4	5,4	2,5	5,4
zmid’	0,201	0,176	0,094	0,169	0,213	0,185	0,098	0,178
Sвдсбр на типовой ДС, м2	1951,6	2288,2	4906,1	2318,3	471,6	553,0	1185,6	560,3
Длина водосборных лотков lcan , м	62,3	67,4	98,8	67,9	30,6	33,2	48,6	33,4
Время добегания tr при скорости V = 0,7 м/с	3,9	4,0	5,0	4,0	2,9	3,0	3,5	3,0
Расчетный расход Qr , л/с, при Р = 1 год	40,2	39,9	39,0	38,8	12,0	12,0	12,4	11,7
Расход фильтрата ДС Qдр , л/с	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5
Время наполнения ДС tзап , мин	3,1	2,8	1,7	3,2	769,8	705,6	424,3	781,0
Расход перелива ДС Qпер , л/с	47,2	51,8	88,6	46,5	0,2	0,2	0,3	0,2
Суммарный расход после ДС Qдс = Qпер + Qдр , л/с	49,7	54,3	91,1	49,0	2,7	2,7	2,8	2,7
Сокращение расчетного расходов* Qпер ,%	0	0	0	0	77,7	77,6	77,1	77,1

Примечание. *В случае, если расчетное время заполнения дождевого сада меньше времени добегания поверхностного стока, расчетный расход определяется для времени добегания поверхностного стока до расчетного участка (дождевого сада).

Table 3. Estimates of cost reductions for rain gardens for the study site

Calculation characteristic	Yard territories	Public and business area	Green spaces	Educational and preschool institutions	Yard territories	Public and business area	Green spaces	Educational institutions
	Rain P = 0.1 year				Rain P = 1 year
Estimated volume of runoff from the territory, m3	1928.2	511.0	503.5	494.5	7978.8	2114.6	2083.3	2046.1
The total area of rain gardens	6427.3	1703.4	1678.2	1648.2	26595	7048.6	6944.2	6820.2
Srg /Scatch.area , %	1.5	1.3	0.6	1.3	6.4	5.4	2.5	5.4
Zmid’	0.201	0.176	0.094	0.169	0.213	0.185	0.098	0.178
Scatch.area on a typical RG, m2	1951.6	2288.2	4906.1	2318.3	471.6	553.0	1185.6	560.3
Length of catchment trays lcan , m	62.3	67.4	98.8	67.9	30.6	33.2	48.6	33.4
Running time tr at speed V = 0.7 m/s	3.9	4.0	5.0	4.0	2.9	3.0	3.5	3.0
Estimated consumption Qr , L/s, at P = 1 year	40.2	39.9	39.0	38.8	12.0	12.0	12.4	11.7
The consumption of the RG filtrate Qdr , L/s	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5
Filling time of the RG tfil , min	3.1	2.8	1.7	3.2	769.8	705.6	424.3	781.0
RG overflow flow rate Qov , L/s	47.2	51.8	88.6	46.5	0.2	0.2	0.3	0.2
Total consumption after RG QRG = Qov + Qdr, L/s	49.7	54.3	91.1	49.0	2.7	2.7	2.8	2.7
Reduction of estimated expenses* Qov , %	0	0	0	0	77.7	77.6	77.1	77.1

Note. *If the estimated time for filling the rain garden is less than the time it takes for the surface runoff to reach, the estimated flow rate is determined for the time it takes for the surface runoff to reach the calculated area (rain garden).

На заключительном этапе анализа был выполнен расчет снижения пиковых расходов при отношении площадей дождевых садов к площади водосбора в диапазоне 1,5…5,0 %. Расчеты показали, что для функциональных зон с преобладанием непроницаемых и слабопроницаемых покрытий при увеличении площади дождевых садов от 1,5 до 5 % от водосборной территории наблюдается снижение расчетных расходов поверхностного стока от 0 до 78 %. При этом наибольшее снижение расходов поверхностного стока наблюдается при увеличении площади дождевых садов с 1,5 до 3 % от площади водосбора, а дальнейшее увеличение дает незначительный прирост к эффекту (рис. 6).

Для зоны зеленых насаждений с преобладанием проницаемых покрытий размер дождевых садов более 2 % от площади водосбора является избыточным и приводит к снижению величины относительного сокращения расходов стока. Это обусловлено увеличением времени заполнения «чаши» и снижением расхода перелива практически до нуля по мере снижения площади водосбора, приходящейся на дождевой сад. При этом максимальный расход фильтрата, определяемый абсолютной площадью дождевого сада и пропускной способностью фильтрующей загрузки, остается неизменным и обеспечивает основной вклад в величину расчетного расхода стока после регулирования. Полученные результаты по оптимальным расчетным площадям дождевых садов соответствуют диапазону рекомендуемой доли дождевых садов в Северном климате, которая по оценке шведских экспертов соответствует от 1 до 5 % ¹⁶.

Рис. 6. Снижение пиковых расходов ливневых вод для различных функциональных зон на объекте исследования
Источник: выполнил И.С. Щукин

Fig. 6. Stormwater peak flows reduction for various functional areas at the study site
Sourse: created by I.S. Shchukin

Заключение

Объекты водно-­зеленой инфраструктуры играют значимую роль в повышении комфортности жителей города. В нашей работе были использованы методы пространственного анализа и расчетные алгоритмы для оценки эффективности применения дождевых садов в целях снижения поверхностного стока в проектируемом жилищном комплексе Москвы.

Пространственный анализ позволил выявить зоны с неблагоприятным уклоном для поверхностного стока (21,6 % площади), где есть риски образования луж, застоя поверхностного стока и заболачивания участков озеленения. Вместе с тем оценка типов водосборов показала, что около 50 % открытых типов поверхности, включая как парки, так и внутри- и межквартальное озеленение, имеют высокий потенциал для применения дождевых садов в качестве инструмента по снижению подтопления.

Расчетная часть работы показала, что наибольшее снижение расходов поверхностного стока наблюдается при увеличении площади дождевых садов с 1,5 до 3 % от площади водосбора для дворовых, общественно-­деловых и образовательных зон. А в зоне озеленения нецелесообразно размещение дождевых садов на площади свыше 2 % от общей площади водосбора.

Подобная комбинация пространственных и расчетных методов моделирования позволит оптимизировать проектирование локальных водно-­зеленых решений, с одной стороны, подбирая наилучшие зоны размещения, с другой стороны, позволяя избежать «перерасхода» площадей водно-­зеленых решений. Важно отметить, что стоит избегать не только недостаточной, но и избыточной площади дождевых садов, так как последнее может привести к пересыханию или потере функциональности пространства.

 

 

^{1 UN. Transforming Our World: The 2030 Agenda for Sustainable Development: Resolution Adopted by the General Assembly on 25 September 2015.}

^{2 Доклад о климатических рисках на территории Российской РФ / отв. ред. В.М. Катцов. СПб.: Климатический центр Росгидромета, 2017.}

^{3 Московская программа комплексного развития территорий // Проект Правительства Москвы. Режим доступа: https://iquarters.ru Дата обращения: 12.01.2024.}

^{4 СП 18.13330.2019. Производственные объекты. Планировочная организация земельного участка (СНиП П-89–80* «Генеральные планы промышленных предприятий»). М., 2019. Режим доступа: https://docs.cntd.ru/document/564221198 Дата обращения: 15.12.2023.}

^{5 Хадыкин М. Наука для жизни: как в РФ будут развивать природоподобные технологии // Известия. 29.11.2021. Режим доступа: https://iz.ru/1256928/maksim-­khodykin/nauka-dlia-zhizni-kak-v-rf-budut-­razvivat-prirodopodobnye-­tekhnologii Дата обращения: 25.11.2023.}

^{6 Озерный парк в Новом Девяткино // АЛАРОС. 03.12.2020. Режим доступа: alaros.ru/news/ozernyj_park_v_novom_devjatkino/2020–12–03–96 Дата обращения: 26.11.2023}

^{7 Михеечева А. В Перми состоялось открытие первого дождевого сада в долине реки Егошихи // Муниципальное образование город Пермь. 22.06.2022. Режим доступа: https://www.gorodperm.ru/news/2022/06/22 %2016:05:00+05/58274-id/ Дата обращения: 04.12.2023}

^{8 Садырина С. В Тюмени появятся дождевые сады по типу голландских // РБК. 28.11.2021. Режим доступа: https://t.rbc.ru/tyumen/28/11/2021/61a0a1389a7947f5d12de944 Дата обращения: 25.11.2023.}

^{9 Тарабарина Ю. Прекрасный ЗИЛ: отчет о неформальном архсовете // Archi.ru. 17.12.2020. Режим доступа: https://archi.ru/russia/88188/prekrasnyi-zil-otchet-o-neformalnom-­arkhsovete Дата обращения: 12.10.2023.}

^{10 ООО «Расписание Погоды». Режим доступа: https://rp5.ru Дата обращения: 25.11.2023.}

^{11 СП 32.13330.2018. Канализация. Наружные сети и сооружения. М., 2019. Режим доступа: https://docs.cntd.ru/document/554820821 Дата обращения: 15.12.2023.}

^{12 Rain Garden Construction Guide. 2011. URL: http://www.aucklandcouncil.govt Accessed: 26.11.2023.}

^{13 Stormwater Best Management Practices (BMP) Performance Analysis. URL: https://www3.epa.gov/region1/npdes/stormwater/tools/BMP-Performance-­Analysis-­Report.pdf Accessed: 26.11.2023.}

^{14 Stormwater Manegement Design Manual. 2014. URL: https://www.princegeorgescountymd.gov/DocumentCenter/View/4782 Accessed: 26.11.2023.}

^{15 West Virginia Stormwater Management and Design Guidance Manual / ed. Wilkins S. 2012. URL: http://www.dep.wv.gov/WWE/Programs/stormwater/MS4/Pages/default.aspx Accessed: 26.11.2023.}

^{16 Raingardens for stormwater management — potential of raingardens in a Nordic climate / eds. T. Robinson, H. Schulte-­Herbrüggen, J. Mácsik, J. Andersson. 2019. URL: https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1370826/FULLTEXT01.pdf Accessed: 26.11.2023.}

Об авторах

Ольга Николаевна Ромзайкина

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: romzaykina-on@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-8516-2724
SPIN-код: 7679-7207

кандидат биологических наук, младший научный сотрудник научного центра «Смарт технологии устойчивого развития городской среды в условиях глобальных изменений»

Российская Федерация, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 8, корп. 2

Алина Александровна Бубушян

Ассоциация Гильдия ландшафтных инженеров

Email: info@laenguild.org
ландшафтный архитектор Российская Федерация, 127018, г. Москва, ул. Складочная, д. 3, стр. 5, оф. 204

Игорь Сергеевич Щукин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: shchukin-is@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0009-0655-9757
SPIN-код: 5096-4351

кандидат технических наук, доцент кафедры теплогазоснабжения, вентиляции и водоснабжения, водоотведения

Российская Федерация, 614010, Пермь, ул. Куйбышева, д. 109; 109 Kuybysheva st., Perm, 614010, Russian Federation

Вячеслав Иванович Васенев

Российский университет дружбы народов

Email: vasenev_vi@pfur.ru
ORCID iD: 0000-0003-0286-3021
SPIN-код: 7209-1269

кандидат биологических наук, PhD, доцент департамента ландшафтного проектирования и устойчивых экосистем

Российская Федерация, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 8, корп. 2

Список литературы

Дополнительные файлы