Закономерности выпадения дождей

Конструктивные параметры и режим работы системы дождевого водоотведения определяются закономерностями выпадения осадков (прежде всего дождей) в конкретном географическом пункте. Расходы талых вод, как правило, меньше расходов дождевых вод.

Дожди характеризуются количеством выпадающих дождевых осадков, интенсивностью, продолжительностью и повторяемостью.

О количестве дождевых осадков судят по слою в миллиметрах (мм) и по объему в литрах на гектар (л/га).

Интенсивность дождей характеризуется количеством выпадающей дождевой воды в единицу времени. Различают следующие интенсивности дождя:

по слою

,

где:

h - количество дождевых осадков по слою, мм;

t - время дождя, мин;

по объему

,

где:

V - объем выпавших дождевых осадков, л/га;

t - продолжительность дождя, с.

Дожди различной интенсивности имеют разную повторяемость: сильные выпадают реже, слабые - чаще. Повторяемость определяют как частное от деления общего количества всех выпавших дождей определенной интенсивности за возможно более длительный период наблюдений (не менее 25 лет) на продолжительность этого периода в годах.

Закономерности выпадения дождей изучаются на метеостанциях с помощью простых и самопишущих поплавковых дождемеров - плювиографов.

Простой дождемер (осадкомер) представляет собой цилиндрический сосуд площадью 200 см, установленный на подставке высотой 2 м. Для предотвращения уноса осадков при ветре сосуд окружен коническим кожухом из изогнутых пластин. Простой дождемер позволяет регистрировать лишь количество выпавших осадков по высоте слоя за время одного дождя, за сутки и другие промежутки времени. Этого показателя для правильного проектирования системы водоотведения недостаточно.

Более полную информацию о закономерностях выпадения дождей можно получить с помощью самопишущих дождемеров (плювиографов). Схема устройства такого прибора показана на рис.1. Осадки собираются в приемный сосуд, из которого через сливную трубку перетекают в измерительный цилиндр. В измерительном цилиндре располагается поплавок, связанный с узлом (пером), пишущим на градуированной бумажной ленте вращающегося барабана. Время одного оборота барабана составляет 24 ч.

По достижении предельного уровня вода из измерительного цилиндра с помощью сифона сбрасывается в сборный сосуд, расположенный внизу колонки дождемера, который периодически опорожняется.

Рис.1. Схема устройства самопишущего дождемера:

1 - приемный сосуд;

2 - сливная труба;

3 -барабан с бумажной градуированной лентой;

4 - поплавок с пишущим устройством;

5 - измерительный цилиндр;

6 - сифон;

7 - сборный сосуд

Бумажная лента плювиографа градуирована по горизонтальной оси в часах и минутах в пределах суток, по вертикальной оси - в миллиметрах слоя выпадающих осадков. В сухой период пишущий узел вычерчивает на ленте прямую линию. С началом дождя, т.е. с момента поступления осадков в приемный сосуд, на ленте в виде кривой регистрируется ход дождя. С его окончанием вычерчиваемая линия вновь становится горизонтальной. Полученная кривая полностью отражает динамику прошедшего дождя. Наличие участков кривой с различным углом наклона к горизонтальной оси свидетельствует об изменении интенсивности дождя в отдельные его периоды.

Для установления взаимосвязи интенсивности дождя с его продолжительностью производится расшифровка записей самопишущих дождемеров. На графике дождя (рис.2) последовательно выделяются участки продолжительностью 5, 10, 15, 20 мин и т.д., в которые интенсивность была наибольшей, т.е. выпало максимальное количество осадков (мм). Далее для этих случаев определяется сначала интенсивность по слою, а затем - по объему:

,

где индекс n выражает номер анализируемого варианта.

Рис.2. Запись хода дождя на ленте самопишущего дождемера

Полученная зависимость интенсивности дождя от его продолжительности имеет вид, представленный на рис.3. Чем короче рассматриваемый период дождя, тем выше его интенсивность; иначе говоря, интенсивность дождя обратно пропорциональна его продолжительности.

Рис.3. График расшифровки дождя

Указанная зависимость сохраняется и для отдельных дождей. Производя подобным образом расшифровку записей дождемеров по всем дождям, мы получаем необходимую информацию для проектирования систем дождевого водоотведения.

Поскольку дожди по интенсивности и продолжительности различны, канализационную сеть следовало бы рассчитывать на самый сильный дождь за период наблюдений. Но сильные дожди бывают редко, следовательно, трубы дождевой сети весьма значительных размеров работали бы с расчетной нагрузкой лишь один раз в несколько лет, что нельзя признать рациональным.

По указанной причине при проектировании дождевой канализационной сети максимально возможные расходы не учитывают, допуская переполнение труб во время сильных дождей. Период (годы), когда выпадает один дождь с интенсивностью, больше расчетной, называется периодом однократного превышения расчетной интенсивности дождя, а поскольку при таком дожде происходит переполнение сети, его также называют периодом однократного переполнения сети Р.

Выбор величины Р для конкретных условий является одним из основных факторов рационального проектирования систем дождевого водоотведения. Чем больше будет принята величина Р, тем большего диаметра потребуются канализационные трубы. Это увеличивает стоимость системы, но дает большую гарантию от затопления канализуемой территории. При малой величине Р увеличивается вероятность и частота ее затопления.

Для экономического обоснования величины Р требуется четкое представление о последствиях, которые могут быть вызваны переполнением сети, и связанном с этим ущербе. Поэтому для населенных мест и производственных объектов, где частое переполнение сети не вызывает серьезных последствий, период однократного переполнения Р при плоском рельефе местности назначается от 0,3 до 1,0 года. Для населенных мест с крутым рельефом территории и производственных объектов, где имеются подвальные помещения с ценным оборудованием, затопление которых может принести большие убытки, период однократного переполнения следует назначать большим, в 5-10 и более лет.

Для получения расчетных зависимостей анализируют данные по выпадению дождей за период не менее 25 лет и наносят их на графики в координатах lg q и lg t (рис..4). Обосновывают то или иное значение Р, определяют количество переполнений сети за период наблюдений (например, 25:5 = 5 раз) и отсчитывают число сильных дождей сверху. Линия, соединяющая вновь полученные точки, является характеристикой расчетного дождя.

Рис.4. Линии расчетных интенсивностей дождей

Если в распоряжении проектной организации нет записей самопишущих дождемеров, то величину А разрешается определять по формуле, полученной путем обработки записей дождей на всей территории РФ и стран СНГ:

где:

А - отрезок оси ординат, отсекаемый продолжением характеристики дождя (условно - интенсивность дождя, соответствующая его продолжительности t = 0);

q- интенсивность дождя продолжительностью 20 мин при величинеР, равной одному году, определяемая для каждого географического пункта по карте изолиний, л/с·га;

Р - период однократного переполнения сети (табл.1 и 2), исчисляемый в годах;

n, -климатологические параметры, принимаемые по справочной литературе;

m-среднее количество дождей за год.

Таблица1

Периоды однократного превышения расчетной интенсивности дождя в населенных пунктах

Таблица2

Периоды однократного превышения расчетной интенсивности дождя на территории промышленных предприятий

Не вся дождевая вода попадает в канализационную сеть. Часть ее фильтруется в грунт, задерживается в неровностях поверхности, испаряется. Это обстоятельство учитывается коэффициентом стока:

где:

Q- количество дождевой воды, поступившей в канализационную сеть в виде сточных вод в единицу времени с данной площади;

Q- количество дождевой воды, выпадающей в единицу времени на ту же площадь.

Коэффициент стока зависит от характера поверхности территории, интенсивности и продолжительности дождя. При разнородной характеристике поверхности площади стока он принимается средневзвешенным и определяется по формуле

где:

z- средний коэффициент поверхности бассейна стока ("коэффициент покрова"), определяемый как средневзвешенная величина в зависимости от частных значенийz(табл.3 и 4);

q - интенсивность дождя, л/с·га;

t - продолжительность дождя, мин.

При наличии водонепроницаемых поверхностей (кровли, асфальтовые и бетонные покрытия) площадью более 30% всей площади бассейна стока средний коэффициент стока допускается принимать не зависящим от интенсивности и продолжительности дождя. В этом случае он определяется как средневзвешенная величина в зависимости от постоянных его значений (табл.3) и соотношения различных площадей Fв бассейне стока.

Таблица3

Значения постоянных коэффициентов стока и коэффициентов поверхности

Таблица4

Значения коэффициента z для водонепроницаемых поверхностей

На больших территориях рекомендуется учитывать неравномерность выпадения дождя по площади коэффициентом К, который при площади 500-4000 га принимается в интервале 0,95-0,8; при площади до 500 га К=1.