Некоторые гидрогеоэкологические проблемы городов на примере Москвы

Среди многочисленных городских проблем геоэкологического характера значительное место занимают вопросы взаимодействия городской среды и грунтовых вод. За время работы с компанией "Геолинк" с 1992 по 2001 год накопились наблюдения, которые, возможно, представляют некоторый интерес.

В 1992 году при обследовании г.Рыбинска Ярославской области было установлено, что большая часть центральной, старой части города находится в подтопленном состоянии [3] (рис. 1). Если говорить об условиях стока поверхностных и подземных вод в городе, то надо отметить следующее. Как и во многих провинциальных городах, в Рыбинске были мощенные мостовые, придорожные канавы, речки, ручейки в естественных руслах, сады, огороды. Собственно непроницаемые поверхности - это только крыши домов. При этом максимально или даже полностью сохранялось естественное дренирование территории. Таким город был еще в начале 60-х годов нашего века. Именно в это время была произведена реконструкция центра старой части города. Прежде всего она выразилась в асфальтировке улиц и тротуаров. В результате этого тротуары и проезжая часть были приподняты на 30-50 сантиметров по сравнению с изначальным положением. Вдоль проезжей части были проложены коллекторы дождевой канализации, заменившие придорожные канавы. При этом часть бутового фундамента домов оказалась погребенной, а дворы превратились в замкнутые понижения, не имеющие стока. Мелкие понижения в рельефе были засыпаны, где-то на их месте были уложены трубы, а где-то нет, ухудшилось естественное дренирование территории. Вследствие проведенных мероприятий дождевые и талые воды стали застаиваться во дворах, и произошел подъем уровня грунтовых вод и подтопление центра города. Кроме того, неудовлетворительно осуществлялся отвод поверхностных вод и на "микроуровне". Например, поверхность у Хлебного двора имеет уклон в сторону здания, в подвал которого и поступают беспрепятственно дождевые воды. Много дефектов в асфальтовом покрытии. Плохо осуществляется сбор воды с крыш водосточными трубами, вода часто не попадает в трубы и течет прямо с крыш под здания. Часто водосточные трубы имеют недостаточную длину, и вода из них также попадает под здания.

Рис. 1. Карта глубин залегания уровекй грунтовых вод в центральной части г. Рыбинска на 1992г.

Для анализа ситуации и разработки рекомендаций по дренированию была создана геофильтрационная модель центра города. Модельная величина инфильтрационного питания грунтовых вод составила на большей части территории 60-120 мм/год. На отдельных участках инфильтрация составила 200-230 мм/год. Эти результаты хорошо согласуются с данными по Московскому региону, находящемуся в аналогичных климатических условиях. Так, инфильтрационное питание в естественных условиях там составляет 70-90 мм/год, а в Москве оно увеличивается до 150-200, а на отдельных участках может достигать 800-1000 мм/год. На модели были рассмотрены различные дренажные мероприятия. Для варианта заложения дрен по всей площади рассчитывались междренные расстояния с учетом строения верхней части разреза. Так как большая часть территории c поверхности сложена суглинками, то междренные расстояния составили 35-40 м. Только на 30% территории, где с поверхности залегают пески, междренные растояния составили 280 м. В связи с большой стоимостью и значительными сроками организации такого дренажа был рассмотрен также вариант дренирования отдельных исторических памятников, подверженных подтоплению. Но как было показано на той же модели, при отводе поверхностного стока с территорий замкнутых дворов, расчистке водоотводящих канав, ремонте асфальтовых покрытий и водосточных труб, ликвидации аварийных утечек из водонесущих коммуникаций, уровни грунтовых вод на большей части территории через 1-2 года понизятся до 1.5 м, что является вполне приемлемым.

В 1995 году рассматривалась задача о дренировании микрорайона "Сретенка"[5]. Подтопление здесь начало развиваться в конце 80-х годов в связи с начавшейся реконструкцией квартала. В связи с нехваткой средств реконструкция затянулась. В 1991-92 гг территория представляла собой изрытую поверхность, заваленную строительными конструкциями и материалами. Имелись протечки из водопроводной сети, ливневка не функционировала. В результате уровень грунтовых вод повысился на 1-1.5 м, подвалы многих зданий оказались подтопленными. Возникла необходимость дренирования микрорайона.

В ходе работ в 1995 году была разработана модель гидрогеологических условий этого участка. Было установлено, что на территории микрорайона инфильтрационное питание существенно превышает фоновые величины. Так, за пределами микрорайона инфильтрация составляет 150 мм/год, а на его территории оно в среднем составляет от 270 до 365 мм/год, на отдельных участках - до 900 мм/год (рис. 2), что существенно превышает средние величины инфильтрации для города Москвы (100-200 мм/год). После рассмотрения на модели различных вариантов дренирования участка было рекомендовано устройство пристенного и пластового дренажа вокруг отдельных зданий, имеющих наиболее низкие отметки подвалов и совместно с этим устройство дрен вдоль некоторых переулков микрорайона. Интересно, что при обследовании участка после завершения работ воды в выработках и котлованах глубиной до 3-4 м обнаружено не было! При продолжении строительства в 1994-95 гг был организован отвод поверхностных вод с реконструируемой территории, расчищена ливневка, ликвидированы утечки из водопроводной сети. В результате к 1995 году уровни грунтовых вод снизились до бытовых отметок, и необходимость принудительного снижения уровней отпала.

Рис. 2. Карта модельной величины инфильтрации на участке микрорайона "Сретенка".

Многих проблем можно избежать, если на основе имеющегося опыта корректировать технические решения на ранних стадиях проектирования. По результатам исследований, выполненных при создании постоянно действующей модели г. Москвы, было установлено, что при застройке территории жилыми зданиями питание грунтовых вод возрастает на 70-80 мм/год. Исходя из этого, при проектировании застройки Южного Бутово методом моделирования была проведена оценка повышения уровней грунтовых вод после застройки территории (рис. 3). Поскольку ряд зданий по прогнозу оказались подтопленными, было предусмотрено заложение горизонтальных дрен вокруг кварталов для снижения уровня грунтовых вод. Модельный приток к дренажу составил 1015 м³/сут, модуль дренажного стока составил около 2 м³/сут с гектара. Для сравнения, меженный расход р. Чечера, протекающей по Южной границе участка застройки, составляет около 1470 м³/сут, то есть дренажный сток образует еще одну речку.

Рис. 3. Прогнозная карта повышения уровней подземных вод первого от поверхности водоносного горизонта после застройки территории.

Моделирование показало также, что при этом возможно сокращение стока или осушение верховьев р. Чечеры. Для решения этой проблемы была предусмотрена переброска части дренажного стока в верховья ручья.

Кроме того, на притоке р. Чечеры существует ряд прудов, попадающих в зону влияния строительства. При застройке балансовые статьи водоемов изменяются. За счет перехвата части поверхностного стока ливневкой питание уменьшается, при асфальтировке увеличивается коэффициент стока поверхностей, что дает некоторый прирост стока. При исследовании баланса каскада прудов на притоке р. Чечеры, было установлено, что отведение поверхностного стока с застраиваемой территории не приведет к существенному ухудшению водного баланса прудов NN 1-6, так как проект предусматривает пропуск воды с водосбора пруда N1, а доля притока из этого пруда в нижележащие водоемы каскада составляет от 90 до 50%. Более существенно повлияет застройка на проточность прудов NN 7,8 и 9, где она уменьшится вдвое и смена воды в водоемах будет происходить только во время весеннего половодья. Дополнительную воду для подпитки прудов следует изыскивать из водопроводной сети, что необходимо для обеспечения нормативов проточности для декоративных, а тем более для купальных водоемов.

Гидрологические и гидрохимические расчеты позволили разработать рекомендации по количеству сбрасываемых в речки очищенных вод. При застройке в р. Чечера повышается содержание взвешенных веществ и нефтепродуктов, содержание их превысит ПДК. Снижения концентрации загрязнителей до уровня ПДК можно добиться при подаче в р. Чечера очищенных бытовых стоков. Гидрохимическое и гидравлическое моделирование показало, что оптимальный расход очищенных стоков равен примерно 0.2 м3/с. При больших значениях расхода очищенных бытовых стоков возможны эрозионные процессы в русле ручья, а при меньших величинах не достигается необходимого разбавления.

Таким образом, применение моделирования позволяет прогнозировать изменения, вносимые застройкой и хозяйственной деятельностью. Создание математических моделей гидрогеологических условий территории позволяет рассматривать различные способы предотвращения негативного влияния принимаемых технических решений.

На территориях старых застроек, существующих десятки, и даже сотни лет, при их реконструкции часто происходит подтопление грунтовыми водами в связи с ухудшением условий дренирования. При чем, если по завершении реконструкции обеспечивается нормальное функционирование ливневки, отвод воды с замкнутых территорий дворов, не допускается поступление поверхностных вод в подвалы зданий, то в течение нескольких месяцев уровни грунтовых вод снижаются до бытовых отметок без принудительного дренирования.

На вновь застраиваемых территориях за пределами МКАД, имеющих значительные площади, происходит подъем уровней грунтовых вод за счет утечек из коммуникаций и поливов. В связи с этим здесь необходимо методом моделирования оценивать изменение уровенной поверхности и рассматривать на модели варианты дренирования территории, а также влияния застройки на баланс существующих водоемов, качество подземных и поверхностных вод, гидравлику поверхностных водотоков. Кроме того, на отдельных участках возможен подъем и снижение уровней за счет баражного эффекта подземных сооружений, что также можно оценить методом моделирования.