Причины и источники подтопления

Причины и источники подтопления подразделяются на две группы:

— естественные;

— техногенные (антропогенные).

Причины и источники подтопления могут проявляться по отдельности или комплексно. Влияют на застройку они по-разному.

4.1Естественные причины (и источники) подтопления:

1. подъём уровня водоёмов (источники — моря, озёра и реки);

2. опускание поверхности прибрежных городов (источники те же);

3. циклы колебания климата (источник — атмосферная влага);

4. сезонные колебания уровня грунтовых вод (источник — атмосферная влага).

Подъём уровня водоёмов особенно влияет на подтопление приморских городов. Наиболее яркими примерами являются Венеция, Санкт-Петербург и города Голландии [2]. Повышение уровня водоёмов влияет на подтопление городов в двух случаях:

1) когда происходит поверхностное затопление из-за наводнения и вода насыщает грунты с повышением уровня грунтовых вод;

2) когда происходит фильтрация воды в берега без наводнения и повышение УГВ (подпор) распространяется на прибрежную территорию, однако это возможно лишь в случае хорошо проницаемых грунтов.

Причинами неожиданного и непредсказуемого повышения уровня моря могут быть наводнения во время штормов, таяние полярных льдов при потеплении климата Земли, возникновение гигантских волн-цунами при подводных землетрясениях (Дальний Восток). Наводнения на континентальных реках и озёрах связаны с обильными ливнями, таянием снега и ледников в горах. В последние годы произошли катастрофические наводнения на реках США, Западной Европы и Восточной Сибири. С 1960-х годов Омское Прииртышье не подвержено наводнениям вследствие зарегулированности стока Иртыша после пуска Бухтарминской ГЭС.

Опускание поверхности прибрежных городов может происходить по причине тектонических движений и подвижек земной коры медленно во времени или быстро, при землетрясениях. Медленно погружается в море Италия, особенно Венеция. Погружается Голландия, 40 % её территории находится на отметках ниже уровня моря, и лишь самоотверженный труд местных жителей помогает им выжить в борьбе с затоплением и подтоплением. Ежесуточные землетрясения на озере Байкал приводят к опусканию его прибрежной территории и подтоплению берегов. Кроме опускания земной поверхности, землетрясения, сотрясая грунт, вызывают повышение уровня грунтовых вод до величин порядка 1-2 метров [3]. К счастью, Омская область расположена в несейсмичной зоне и ей такие процессы не грозят.

Рис.2 Схематичная карта подтопления городов и районных центров Омской области. В скобках показаны среднестатистические глубины залегания уровня грунтовых вод весеннего максимума на территории застройки

Циклы колебаний климата на земном шаре довольно чётко установлены как 11-летние [4]. Характерно, что они совпали с циклами появления солнечных пятен. Режим грунтовых вод зависит от климата, так как грунтовые воды сообщаются с атмосферой через зону аэрации (см. рис. 1). Однако климат мало влияет на подтопление городов и населённых пунктов [5]. Некоторое представление о слабой связи климата и подтопления застройки в Омской области может дать карта-схема на рис. 2. Климат Омской области континентальный [6]. Северная часть лежит в зоне оптимального увлажнения, здесь много болот. Южная часть области засушливая. Омск недостаточно увлажнён. Согласно критерию «норма осушения», к подтопленным городам можно отнести Омск, Тару, Седельниково, Крутинку, Называевск, Москаленки, Исилькуль, Щербакуль. Заметим, что города, охваченные подтоплением, разбросаны по всей области независимо от климатических зон. Последние тридцать лет в области наблюдается климатический цикл пониженной водности, однако даже наличие столетних наблюдений не позволяет предсказать, что произойдёт с климатом в будущем [7] и соответственно — с его влиянием на уровень грунтовых вод.

Сезонные колебания уровня грунтовых вод, происходящие в течение года, изучены в городах довольно хорошо. На рис. 3 представлены сравнительные графики сезонных колебаний УГВ в Омске (построены по данным ОАО «Омск-ТИСИЗ»), Санкт-Петербурге (Ленинграде) и Мюнхене. Нетрудно сделать общий вывод, что множество осложнений в городских хозяйствах связано с весенним повышением уровня грунтовых вод. Специалистам ГСХ знание таких графиков необходимо для заблаговременной подготовки к весеннему подтоплению. Естественные причины подтопления трудно отделить от техногенных.

Рис. 3. Графики сезонных колебаний уровня грунтовых вод: 1 — в Омске; 2 — в Санкт-Петербурге (Ленинграде); 3 — в Мюнхене (ФРГ); А — годовая амплитуда колебаний УГВ (в Омске А ≈ 1, 2-1, 5 м)

4.2 Техногенные причины (и источники) подтопления:

1. гидротехническое строительство водохранилищ и каналов;

2. нарушение естественного поверхностного и подземного стоков;

3. утечки из водонесущих коммуникаций.

В справочном пособии к СНиП [8] подчеркнуто, что основные причины подтопления застройки связаны со стадиями строительства и последующей эксплуатацией. С началом освоения городской территории начинается техногенное (антропогенное) подтопление, происходящее под влиянием деятельности человека. Оно возникает и развивается вследствие нарушения сложившегося природного динамического равновесия в водном балансе территории — это и есть основная причина подтопления городских территорий. Причины подтопления застройки связаны с источниками подтопления. В некоторых случаях причины и источники подтопления неразделимы, совпадают друг с другом, в других — нет. Приведём примеры.

Гидротехническое строительство водохранилищ и каналов преследует водохозяйственные цели, однако побочным явлением возникает подтопление окружающей территории. После наполнения этих сооружений начинается фильтрация воды в берега, прибрежные города подтапливаются повышающимся уровнем грунтовых вод — это явление называют подпором. Вблизи этих сооружений возникают подтопленные территории шириной до нескольких, иногда до десятков километров [9]. Такое подтопление свойственно городам Поволжья, где грунты берегов песчанистые, хорошо проницаемые.

Нарушение естественного поверхностного стока застройкой происходит практически повсеместно. Задерживаемая строительными котлованами, траншеями, зданиями и сооружениями атмосферная влага (источник) просачивается (инфильтруется) в грунт. Природный баланс влаги нарушается, уровень грунтовых вод повышается, возникает подтопление. В редких случаях, когда грунты хорошо проницаемые, то подтопления вследствие рассматриваемой причины может и не произойти, особенно если застройка находится в зоне дренирующего влияния водоёмов или оврагов. В Омске таких случаев практически не наблюдается. Устройство дождевой (ливневой) канализации К2 в городах улучшает нарушенный застройкой поверхностный сток. Канализация К2 должна устраиваться в сочетании с вертикальной планировкой городской территории. Кроме того, ливнёвка влияет и на улучшение подземного стока с городской территории, так как она может принимать в себя воды из дренажей, понижающих УПВ. К сожалению, город Омск не имеет достаточно развитой системы дождевой канализации, потребность в ней составляет около 80 %. Это одна из причин подтопления Омска на 80 % площади. Канализация К2 не понижает уровень грунтовых вод, а уменьшает источник подтопления.

Нарушение естественного подземного стока происходит вследствие перегораживания зданиями и сооружениями естественных фильтрационных потоков (источников). На рис. 4 приведена схематичная карта 1-й очереди 1-й линии строящегося метрополитена Омска. Метро мелкого заложения перекроет потоки подземных вод (ГВ и НПВ), направленные в сторону естественных дрен — рек Иртыша и Оми. Чтобы с верховой стороны потоков не возник подпор ПВ, под метро предусмотрен водопропускной слой щебня толщиной 0, 5 метра.

Рис.4 Омский метрополитен (1-я очередь 1-й линии) и потоки подземных вод

Утечки из водонесущих коммуникаций — водопровода, канализации, теплосетей — являются настоящим бедствием всех городов, создавая локальное подтопление территории в виде куполов грунтовых вод. Сети стареют, начинаются скрытые подземные утечки воды, которые очень трудно обнаружить. Часто место прорыва трубопровода находят лишь после выхода воды на поверхность, но это значит, что куполообразное подтопление в этом месте уже произошло. Теоретически утечки должны происходить там, где трубопроводы уже выработали свой срок эксплуатации. На практике же бывает, что и новые системы протекают. На это влияет множество причин. Хотя в последнее время предложено статистически прогнозировать подтопление [10], однако основные прогнозы подтопления проводят аналоговым методом. Для этого применяют величину дополнительной инфильтрации влаги ω (м/сут), вызывающую техногенное повышение УГВ. Величина ω входит почти во все расчётные формулы прогнозов подтопления. Наиболее достоверно она может быть определена на основе режимных наблюдений за уровнем грунтовых вод на застроенной территории.