Модели для урбанизированных территорий

Одной из первых моделей для описания гидрологических процессов на урбанизированной территории с фиксированным шагом по времени стала Storage, Treatment, Overflow, Runoff Model (STORM), разработанная Гидрологическим инженерным центром (НЕС) Корпуса инженеров армии США [Roesner et al., 1974; Storage..., 1977]. Первоначально модель предназначалась для анализа работы комбинированной системы ливневой канализации Сан-Франциско с целью уменьшения ливневой нагрузки на воды залива.

Расчет жидкого стока производится в модели на основе взвешенного по площади коэффициента стока и данных о слое осадков, задание которых требуется с интервалом в 1 час. В принципе, с той же целью генерации ежечасных данных об объемах стока может быть использован метод Службы охраны почв [Mockus, 1972; Виссмен и др., 1979]. Никакой процедуры расчета движения потока по системе городской канализации модель STORM не содержит. Считается, что сток проходит через систему очистки, пока емкость системы это позволяет. Если очистная система не успевает перерабатывать сток, то он отводится в отстойник. Если же не хватает и емкости отстойника, происходит переполнение, и ливневый сток начинает поступать в приемный водоем без очистки.

В модели считается, что накопление поллютантов на городской территории происходит по линейному закону, а смыв их жидкими осадками можно описать кинетикой первого порядка.

Эрозионные процессы моделируются с помощью универсального уравнения почвенной эрозии. STORM позволяет проводить расчет концентраций в стоке шести заранее заложенных в модель загрязняющих веществ (взвешенные и осажденные наносы, легкоокисляемая органика, идентифицируемая по ВПК, бактерии, орио-фосфаты и азот), но поскольку параметры подмодели «накопление-смыв» могут задаваться пользователем, то под этими названиями можно при желании анализировать и другие поллютанты.

Более сложный концептуальный подход был использован при разработке Агентством по охране окружающей среды США компьютерной системы Storm Water Management Model (SWMM). Первая версия модели была ориентирована на расчет ливневого стока в городской комбинированной канализационной системе для отдельно взятого события (ливня) [Storm Water..., 1971], но впоследствии SWMM была значительно расширена, так что четвертая версия программы предоставляет возможность и для непрерывного моделирования стока [Huber and Dickinson, 1988; Roesner et al., 1988].

Структурно SWMM состоит из нескольких блоков-подпрограмм, позволяющих моделировать большинство количественных и качественных характеристик гидрологического цикла на городской территории. Система позволяет анализировать процессы в ливневых системах, в комбинированных канализационных и естественных дренажных системах. Процесс формирования стока на урбанизированной территории (расчет гидрографа) SWMM моделирует на основе подхода нелинейного резервуара, в котором предусмотрена возможность учета снеготаяния. По желанию пользователя, сток воды может быть описан и более сложными моделями, чем модель нелинейного резервуара (кинематическая волна, комплексные динамические уравнения).

Процессы формирования качества воды SWMM может воспроизводить на основе различных подходов, включая модель «накопление — смыв», различные регрессионные соотношения, метод постоянных концентраций или модель USLE. Блок Storage/Treatment моделирует процессы, происходящие в системе «отстойник-переработка», причем предполагается, что очистка стока:

или идет по кинетике первого порядка, сопряженной с моделями реакторов полного смешения или полного вытеснения;
или за счет осаждения взвешенных веществ, которое пропорционально времени задержки стока в очистной системе;
или характеризуется динамикой седиментации. Каждый из блоков системы SWMM может работать и независимо, и в любой последовательности.

Кроме гидрологических блоков и блоков качества воды в данной системе предусмотрен целый ряд дополнительных процедур: блок статистического анализа, блок ввода и обработки метеорологических данных, блок графики и др. Эти подпрограммы призваны были обеспечить определенный уровень удобств для пользователей, хотя считается, что даже микрокомпьютерная версия SWMM не обладает в полной мере «дружественным интерфейсом».

Обширная библиография по приложениям системы SWMM в работах на конкретных территориях приведена в обзоре.

Геологическая служба США (USGS) владеет своей моделью неточечных источников для урбанизированных территорий. Эта модель известна под названием USGS Distributed Routing Rainfall-Runoff Model - QUALity simulation (DR3M-QUAL) и появилась на свет в начале 1980-х [Alley and Smith, 1982 (а); 1982 (b)], благодаря подключению блоков качества воды к модифицированной версии модели USGS для городского гидрологического цикла [Dawdy et al., 1972].

Формирование стока на водосборе и последующее движение воды по нему в данной модели описывается уравнением кинематической волны. Модель не имеет ограничений по временному шагу, поэтому иногда она использовалась для моделирования последовательности ливней. Качество воды может быть оценено по произвольным показателям на основе использования экспоненциальной функции накопления загрязняющих веществ и некоторой функции смыва. Параметры этих функций, вообще говоря, должны определяться в процессе калибровки модели, но в предварительных расчетах могут быть использованы и коэффициенты, предлагаемые в руководстве.

Эрозия в модели DR3M-QUAL рассчитывается с использованием эмпирического соотношения, связывающего объем водного стока и его пиковый расход с выносом взвешенных веществ с водосбора.

Некоторые параметры почвенной эрозии приводятся на основе модели USLE. Концентрации других пол-лютантов в стоке вычисляются через их содержание на взвешенном веществе.

Перенос поллютантов по дренажной системе рассматривается в рамках плунжерной модели без учета их возможных превращений (распада). В накопительных системах может происходить осаждение твердых частиц, которое зависит от крупности и фракционного состава взвешенного вещества и рассчитывается на основе модели простой седиментации. Считается, однако, что учет осаждения частиц лишь в накопительных устройствах явно недостаточен для аккуратного описания транспорта взвесей, так что в этом смысле модель слишком упрощена.

Модель DR3M-QUAL использовалась при проведении исследований по Общенациональной программе изучения городского стока, которая выполнялась в США при участии USGS. Опыт применения модели в этих работах анализируется в обзоре [Alley, 1986].

То, что разработка описанных выше систем моделирования урбанизированного стока проводилась на базе более ранних гидрологических моделей, наложило свой отпечаток на эти программные продукты.

Признается, что все они, даже те, которые адаптированы для работы на персональных компьютерах, практически не имеют хорошего графического сопровождения и других удобств «дружественного интерфейса». Однако известны другие модели, разработанные с той же целью анализа количества и качества городского ливневого стока, в которых эти возможности современных компьютеров были учтены в полной мере. В первую очередь к ним относится система моделирования MOUSE (Modeling Of Urban SEwers). разработанная Датским институтом гидравлики совместно с другими организациями и частными фирмами.

Эта система рассчитывает формирование стока и движение его по сети ливневой канализации на основе последовательной гидродинамической теории. В то же время блок моделирования качества воды тривиален - используется метод постоянной концентрации [Jacobsen et al.. 1984; Johansen et al., 1984].

Другая подобная модель была создана британской компанией «Hydraulics Research Ltd.» и получила название Wallmgford Model. Она также состоит из нескольких программных модулей, предоставляющих возможность простого или полностью динамического моделирования стока по дренажной системе, в то время как блок моделирования качества во многом схож с используемым в модели SWMM [Henderson and Moys. 1987].

Обе эти системы гидрологического моделирования используют практически все возможности современных компьютеров и средств программирования, имеют хорошо организованные модули подготовки данных, графический интерфейс и возможности интерактивного редактирования сети городской канализации, статистическую обработку результатов расчетов.

¹ Причем полагается, что очистные сооружения работают со 100%-й эффективностью по всем поллютантам, а в отстойнике очистки стока не происходит.