Раздел II 2. Хидрология на урбанизираните територии

1. Раздел II2. Хидрология на урбанизираните територии Тема 10 Определяне на дъждовните водни количества • Моделиране на дъждовния отток в канализационните мрежи • Линейни хидрографи • Влияние на площта на водосборната област • Влияние на посоката и скоростта на вятъра

2. 10.1. Моделиране на дъждовния отток в канализационните мрежи • Моделирането на дъждовния отток се свежда до прилагането на концепции и методи за построяване на хидрографи в определени сечения на канализационната мрежа: • Концепции – приети схващания (идеи) и предпоставки относно условията за формиране на хидрографите, апроксимиращи в една или друга степен сложните взаимни връзки между факторите, влияещи върху формирането на дъждовния отток • Методи – средства за създаване на графични или числени зависимости, отразяващи приетата концепция • Върху формирането и параметрите на дъждовния отток влияят следните фактори: • Метеорологични – хиетографа на дъжда, посока и скорост на дъждовния облак (вятъра), размери и структура на дъждовния облак • Топографски – текстура и наклон на терена, вид и разположение на теренните покрития, филтрационни характеристики на пропускливите покрития • Параметри на канализационната мрежа – общ обем и обезпеченост; вид, обем, брой и раположение на ревизионните шахти; брой, разположение и функционално състояние на дъждоприемните шахти; геометрични и хидравлични характеристики

3. 10.1. Моделиране на дъждовния отток в канализационните мрежи Схема, илюстрираща пътя на трансформация на дъждовния валеж (хиетограф) в дъждовен отток (хидрограф) в канализационната мрежа

4. 10.1. Моделиране на дъждовния отток в канализационните мрежи • Съвременните подходи при проектиране и реконструкции на канализационни мрежи са основани на стремежа да бъде намалено водното количество, постъпващо в мрежата, чрез т.н. “контрол на мястотото на генериране” (“source control”) на дъждовния отток • Това се постига чрез: • Повърхностно задържане в специално устроени временни (напълвани само при интензивен дъжд) или постоянни басейни (паркинги, терени за отдих и забавления, езера) в урбанизираната територия • Насочване на дъждовните води от покриви или непропускливи терени в специално устроени подземни дренажи или повърхностни попивни канавки и басейни • Насочване на дъждовния отток от непропускливи терени към такива с пропускливи повърхностни покрития • Конструиране на дъждозадържателни резервоари по канализационната мрежа (виж Тема 24) • На следващия слайд са илюстрирани двете основни концепции за управление на дъждовния отток – “класическа” и “source control”

5. 10.1. Моделиране на дъждовния отток в канализационните мрежи

6. 10.2. Линейни хидрографи • Концепцията за линеен хидрограф включва приемането на следните опростяващи предпоставки: • Водосбор с приблизително правоъгълна форма • Терен с еднородно повърхностно покритие (ψ = const.) • Постоянен наклон на терена • Постоянна скорост на водата в канализационния колектор - vk • Дъжд с постоянна интензивност върху целия водосбор - q • Дъждовният облак е неподвижен и покрива целия водосбор

7. 10.2. Линейни хидрографи • Тогава дъждовното водно количество - Q в крайното (долното) сечение на колектора може да се определи със следния израз, базиран на представата за протичането на физичния процес на формирането на Q: Q = q.F. ψ = q.B.L.ψ= q.B.vk.t. ψ = k.t,(1) където 0 < t < tот; tот = L/vk; k = q.B.vk.ψ = const. • При t >tотизразът за Q приема вида: Q = k.tот = const. (2) • Зависимостите (1) и (2) са аналитични изрази на линейния хидрограф, чиято форма и размери зависят и от продължителността на дъжда – tд (виж следващия слайд)

8. 10.2. Линейни хидрографи Линейни хидрографи при различни съотношения на tот и tд

9. 10.3. Влияние на площта на водосборната област • Дъждовните облаци рядко имат еднородна структура върху цялата водосборна област • Особено нееднородни са т.н. ”кумулоси” (cumulunimbus) – кумулативни облаци (облаци с натрупване на енергия и водна маса), предизвикващи много интензивни дъждове, особено под центъра на облака (виж слайда в ляво)

10. 10.3. Влияние на площта на водосборната област • Слоестите облаци също не са еднородни, което се отразява и на валежното поле – то се променя във времето и пространството

11. 10.3. Влияние на площта на водосборната област • Неравномерността на валежа по площ се отразява с т.н. “фактор на редуциране на площта” - η (area reduction factor – ARF) • Един от най-ранните опити за определяне на фактора η е този на Fruhling (1894), който предлага следната емпирична формула, базирана на приеманията за формата на водосбора и разпределението на дъжда върху нея, както е показано на фигурата в ляво: ix = imax .[1 – 0,0091(x)0,5] или η = 1 – 0,005.(r)0,5 • Тогава Q = qmax. F.ψ.η

12. 10.3. Влияние на площта на водосборната област • Друг подход (използван в Англия) за отразяване на влиянието на площта върху дъждовното водно количество е манипулиране на оразмерителния хиетограф чрез т.н. “заглаждащ филтър” - μ (smoothing filter) – функция за трансформиране на оразмерителния хиетограф • На фигурата по-долу е илюстрирана принципно тази трансформация при хиетограф тип “Чикаго” μ = 0,1615.A0,405.60/∆t pt’ = μ.pt+1 +(1 - 2 μ).pt + μ.pt+1

13. 10.4. Влияние на посоката и скоростта на вятъра • Динамично променящото се във времето и пространството поле на дъждовната интензивност зависи от посоката и скоростта на вятъра, който предизвиква движението на дъждовните облаци • Динамиката на полето на дъждовната интензивност се отразява и на формирането на дъждовното водно количество в съответните сечения на канализационните колектори • Следователно, дъждовното водно количество зависи и от посоката и скоростта на вятъра • За илюстриране на това влияние тук ще бъдат разгледани следните два основни (екстремални, крайни) случая чрез използване на линейни хидрографи (виж следващите слайдове): • Посоката на движение на облака съвпада с тази на отпадъчната дъждовна вода в основния (главния) канализационен колектор • Посоката на движение на облака е противоположна на тази на отпадъчната дъждовна вода в основния (главния) канализационен колектор

14. 10.4. Влияние на посоката и скоростта на вятъра Схема за илюстриране на влиянието на посоката и скоростта на вятъра върху формиране на хидрографа в крайното долно сечение на главния канализационен колектор при съвпадане на посоката на вятъра с тази в канализационния колектор

15. 10.4. Влияние на посоката и скоростта на вятъра Схема, илюстрираща влиянието на посоката и скоростта на вятъра върху формата и размерите на линейния хидрограф 1 – при неподвижен облак върху цялата водосборна област; 2 – при облак с дължина l по-голяма от дължината Lна водосбора; 3 - при облак с дължина l равна на дължината Lна водосбора; 4 - при облак с дължина l по-малка от дължината Lна водосбора

16. 10.4. Влияние на посоката и скоростта на вятъра Схема, илюстрираща влиянието на посоката и скоростта на вятъра върху формата и размерите на линейния хидрограф 1 – при неподвижен облак върху цялата водосборна област; 5 – при облак с дължина l по-голяма от дължината Lна водосбора; 6 - при облак с дължина l по-малка от дължината Lна водосбора

17. 10.4. Влияние на посоката и скоростта на вятъра Схема, илюстрираща влиянието на посоката и скоростта на вятъра върху формата и размерите на линейния хидрограф 1 – при неподвижен облак върху цялата водосборна област; 7 – при облак с дължина l по-голяма от дължината Lна водосбора; 8 - при облак с дължина l по-малка от дължината Lна водосбора

18. 10.4. Влияние на посоката и скоростта на вятъра Схема за илюстриране на влиянието на посоката и скоростта на вятъра върху формиране на хидрографа в крайното долно сечение на главния канализационен колектор при противоположни посоки на вятъра и на водата в канализационния колектор

19. 10.4. Влияние на посоката и скоростта на вятъра Схема, илюстрираща влиянието на посоката и скоростта на вятъра върху формата и размерите на линейния хидрограф 1 – при неподвижен облак върху цялата водосборна област; 1’ – при облак с дължина l по-голяма от удвоената дължина 2Lна водосбора; 2 - при облак с дължина l равна на (1 до 2).L; 3 - при облак с дължина l по-малка от дължината Lна водосбора

20. 10.4. Влияние на посоката и скоростта на вятъра Графики, получени чрез симулационни изследвания на реалнен обект с програмен продукт, илюстриращи влиянието на посоката и скоростта на вятъра върху формата и размерите на симулираните хидрографи

21. 10.4. Влияние на посоката и скоростта на вятъра Основни изводи: • При неподвижен облак, покриващ целия водосбор, се получава максимално възможно за случая водно количество Q0 • Отношението на редуцираното водно количество Q и максималното водно количество Q0 може да се разглежда и като фактор на редукция ηна площта на водосбора F, т.е.η = Q/ Q0 • Отношението на скоростта на облака vд и тази на оттичане на водата в колектора vк влияе на фактора на редукция на площта η, като при vд > vк се достига по-бързо до максималното водно количество Q0и обратно • При посока на вятъра, съвпадаща с посоката на оттичане на дъждовните води в колектора, се получава по-голямо максимално водно количество Qили Q0в сравнение със случая с противоположни посоки на движение на облака и водата в колектора • При дължина на облака lпо-малка от дължината на водосбора L се получава по-малко водно количество Qв сравнение със случая при който l > L, независимо от скоростта и посоката на вятъра