Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Изменение поступления 7
1.1. Влияние градостроительного освоения территории на основные климатические характеристики 7
1.2. Прямая солнечная радиация 15
1.3. Рассеянная солнечная радиация 19
Глава 2. Преобразование физических свойств деятельного слоя 21
2.1. Альбедо урбанизированной территории 21
2.1.1. Общие закономерности изменения альбедо 21
2.1.2. Исходные данные и методика расчета 35
2.1.3. Альбедо территории Москвы 50
2.1.4. Контраст альбедо Москва - Подмосковье 5 5
2.2. Влияние изъятия поверхностного стока на тепловой баланс 61
Глава 3. Техногенный энергобаланс в городе 69
3.1. Производство и потребление энергоресурсов 69
3.1.1 . Теплоснабжение 70
3.1.2. Электроснабжение 80
3.1.3. Моторное топливо 84
3.1.4. Термическое уничтожение отходов 90
3.2. Метаболическое тепловыделение 94
3.3. Расходные техногенные составляющие 96
3.3.1. Расход тепла со стоками 96
3.3.2. Малые расходные компоненты 103
Глава 4. Пространственно-временная изменчивость теплового баланса 105
4.1. Структура теплового баланса города и ее сезонные изменения 105
4.2. Пространственная изменчивость техногенного теплового баланса 115
4.3. Структура и сезонные особенности положительной &номалии теплового баланса 120
Заключение 122
Литература 124
- Влияние градостроительного освоения территории на основные климатические характеристики
- Общие закономерности изменения альбедо
- Теплоснабжение
- Структура теплового баланса города и ее сезонные изменения
Введение к работе
Климат городов является социально и экономически значимым фактором. Доля
населения, живущего в городах, особенно в северных странах, постоянно увели чивает-Ч
ся. Поэтому все больше людей ощущают на себе специфику городских климатических
условий, которые, в свою очередь, все больше отличаются от климатических условий окружающих города территорий за счет непрерывно усиливающегося влияния антропогенных факторов. Интенсивность воздействия последних с каждым годом возрастает и особенно ощутима в крупных и крупнейших городах. В результате этого воздействия происходит перераспределение потоков тепла и энергии от деятельного слоя земной поверхности в атмосферу, изменяется количество поглощенной солнечной радиации, соотношение размеров потоков явного и скрытого тепла, в тепловом балансе появляется дополнительный компонент - поток техногенного тепла. Вследствие этого в городах усиливаются мезо- и микроклиматические аномалии. Особенности городского климата, как по степени воздействия, так и по числу жителей, испытывающих его, становятся по
> актуальности сопоставимыми с исходными природно-климатическими условиями той
или иной территории.
ТІ Техногенная эмиссия тепла в окружающее пространство, наравне с эмиссией за-
грязняющих веществ, ионизирующим и неионизирующим излучением, стала одной из центральных проблем городской экологии. В современной литературе по экологии и климатологии уже устоялся такой термин, как «тепловое загрязнение окружающей среды». Этот вид загрязнения является причиной целого спектра реакций экосистем различного ранга, начиная от трансформации мезо- и микроклиматических условий и био-ты вмещающих город ландшафтов и заканчивая изменением концентраций озона в тропосфере. Отсюда возникает научная актуальность и практическая необходимость в изучении структуры теплового баланса городских застроек и выявления специфических особенностей теплового баланса в городах по сравнению с окружающими их ненарушенными или слабо нарушенными антропогенной деятельностью ландшафтами.
В городской климатологии признано существование аномалий метеоусловий в
4 черте городов по сравнению с окружающей их неурбанизированной территорией. Наи-
более изученной является положительная аномалия температуры, получившая название
* «острова тепла» и отрицательная аномалия поля скоростей ветра в приземном слое.
Изменения других метеоэлементов - относительной и абсолютной влажности, облачности и количества осадков, атмосферного давления и т.д. - носят более сложный характер и зависят от времени года, местных метеоклиматических условий, площади и мор-
фологических характеристик застройки. Тем не менее, их существование также не подвергается сомнению. Некоторые разногласия возникают лишь при определении основных причин, вызывающих отклонения тех или иных характеристик климатических ус-ловий за счет влияния урбанизации и техногенного преобразования деятельного слоя подстилающей поверхности. Так, например, в числе причин происхождения «острова тепла» предпочтение отдается различным факторам. Большая группа исследователей считает, что основной причиной этой аномалии является использование в городах большого количества энергоресурсов. Другие исследователи в качестве ведущего фактора отмечают уменьшение альбедо и увеличение теплоемкости искусственных покрытий. Некоторые климатологи также обращают внимание на уменьшение величины испарения за счет уменьшения проницаемости искусственных покрытий и отвода осадков канализационными сетями (Arnfield, 2003; Коваленко и Орлова, 1993; Ландсберг, 1983; Щербаков, 1987 и др.). Вероятно, такие утверждения, достоверные в каком-либо конкретном случае, не могут быть обобщены для городов с разными морфометрическими
f характеристиками, расположенных в различных климатических зонах Земного шара.
Кроме того, во многих исследованиях ощущается дефицит фактических данных
' по градостроительству, инженерному обеспечению и реальному расходу энергоресур-
сов в хозяйственной деятельности: его сезонной динамики и пространственной неоднородности, обусловленной плотностью застройки и ее функциональным назначением. Происхождение этого дефицита фактических данных об уровне и характере антропогенного преобразования окружающей среды применительно к проблемам городской климатологии связано с отраслевой специализацией исследователей, работающих либо только в области климатологии, либо в области инженерного обеспечения и градостроительства.
Цель настоящей кандидатской диссертации - анализ изменения и выявление механизмов формирования теплового баланса территории, наиболее сильно преобразованной антропогенной деятельностью - городской застройки. Для анализа был выбран Московский мегаполис как наиболее показательный объект для изучения в плане раз-
Ф нообразия источников выработки и потребления всех видов тепловой энергии и связан-
ных с этим климатических процессов и хозяйственных проблем. Москва имеет доста-
^ точно полное информационное обеспечение по вопросам тепло- и энергоснабжения и
состояния различных компонентов окружающей среды как на своей территории, так и на территории Подмосковья, которое может условно считаться фоном при оценке воздействия Москвы на эти компоненты. Основное внимание уделено изменению приход-
ных частей теплового баланса, поскольку именно ими определяются мезоклиматиче-скне особенности территории, в том числе и размеры расходных частей теплового баланса.
Указанная цель достигалась путем постановки и решения следующих задач:
Определение изменения суммарной солнечной радиации за счет техногенного воздействия на атмосферу.
Моделирование баланса коротковолновой радиации поверхности деятельного слоя на урбанизированной территории.
Выявление размера влияния зданий и искусственных покрытий и отвода части поверхностного стока системами ливневой канализации на затраты тепла на испарение.
Количественная оценка соотношения техногенных и естественных приходных частей теплового баланса, выявление ведущих факторов, определяющих тепловой баланс городских территорий, структуры его аномалии по сравнению с окружающими город территориями.
Определение пространственно-временной изменчивости естественных и техногенных потоков тепла в различных типах городской застройки и на окружающих город фоновых территориях.
Антропогенное воздействие на климатические условия города разделено на 3 группы процессов, каждой из которых посвящена отдельная глава работы. Первая группа - изменение оптических свойств атмосферы города, влияющее на величины прямой и рассеянной радиации, приходящих к поверхности деятельного слоя. Степень этого воздействия может быть оценена путем сравнения инструментально измеренных значений приходных частей радиационного баланса в городе и за городом.
Во вторую группу выделены процессы антропогенного преобразования физических свойств поверхности деятельного слоя, приводящего к перераспределению естественных потоков энергии. К этой группе отнесено изменение альбедо территории городской застройки по сравнению с естественным рельефом, влияющее на количество поглощенной солнечной радиации, и канализование поверхностного стока, приводящее к изменению количества тепла, расходуемого на испарение с поверхности деятельного слоя. В связи с отсутствием инструментальных измерений значения интегрального альбедо городских застроек для различных территорий Москвы определялись теоретически методом математического моделирования на основании морфометрических и иных характеристик застроек, закрепленных действующей градостроительной и нормативно-строительной документацией и результатов натурных обследований застроек. Измене-
ниє коэффициента стока территории Москвы также оценивалось исходя из распределе-ния площадей, занятых различными искусственными поверхностями и отчетных данных организаций, эксплуатирующих сети ливневой канализации и регулирующих во-просы размеров сброса и качества поверхностных вод.
Третья группа - процессы производства и потребления тепловой и электрической энергии, потребления моторного и других видов топлива, метаболическое тепловыделение. В этой группе объединены процессы эмиссии тепла исключительно техногенного и антропогенного характера. Для оценки размеров и сезонной динамики техногенных потоков тепла использованы данные статистической отчетности основных московских поставщиков природного топлива, тепловой и других видов энергии, общие характеристики энергосистем, закрепленные в действующей градостроительной документации - генеральном плане развития г. Москвы и градостроительных планах развития отдельных ее округов.
В работе были выявлены основные источники и виды теплового загрязнения
f территории города, а также предложены некоторые направления оптимизации мезо- и
микроклиматических условий городской застройки для их реализации в процессе про-
^ ектяой подготовки строительства.
Научная новизна работы состоит в том, что особенности теплового баланса изучены в одинаковом пространственно-временном масштабе для потоков энергии естественного и техногенного происхождения. При этом компоненты теплового баланса определены для различных по функциональному назначению и степени градостроительного освоения территорий города. В суммарном потоке тепла техногенного происхождения впервые выделены расходные части как самостоятельные компоненты теплового баланса, а в числе приходных частей рассмотрено термическое уничтожение отходов как перспективный член уравнения теплового баланса города.
Кроме того, научная новизна и практическая значимость предлагаемой диссер
тации состоят в том, что такого рода исследование впервые выполнено с использовани
ем действующей градостроительной документации, схем инженерного обеспечения и
* данных эксплуатирующих организаций, что позволило совместить климатологический
характер исследований с практическими вопросами городского хозяйства на уровне принятия практических решении по градостроительному развитию как города в целом, так и отдельных его частей в границах административно установленного территориального деления города.
В основу диссертационной работы положен фактический материал, собранный в процессе исследовательской и производственной деятельности автора за период 1991— 2004 гг. Исследования выполнены с привлечением большого объема данных организаций и ведомств, отвечающих за вопросы инженерного обеспечения и энергоснабжения города и сведений из действующей градостроительной документации о технико-экономических и морфометрических показателях городской застройки. Также были привлечены фондовые материалы МосЦГМС, НИиПИ экологии города, Москомархи-тектуры и других организаций, работающих в сфере градостроительства.
Влияние градостроительного освоения территории на основные климатические характеристики
Направление и интенсивность воздействия на процессы в атмосфере и климатические характеристики над территорией городской застройки определяются степенью нарушения ранее существовавших гидро-, терм о- и аэродинамических свойств подстилающей поверхности и эмиссии в атмосферу веществ и соединений антропогенного происхождения, влияющих на мезо- и микроклимат. Устойчивое продолжительное воздействие на атмосферу крупных городов и урбанизированных территорий является настолько интенсивным, что вносит заметные деформации в поля климатических характеристик. Хотя это воздействие является ненаправленным, его интенсивность не уступает воздействию, оказываемому с помощью специальных технических средств, а над крупными городами значительно превосходит его как по передаваемым в атмосферу массе и энергии, так и по времени протекания этих процессов. Различия в интенсивно ста этих процессов на различных по степени освоения территориях вызывает различия в их микроклиматических условиях, в том числе в Москве (Климов и др., 1990, Ненаро-кова, 1983, 1989). Энергия атмосферных процессов, разумеется, намного превосходит энергию существующих методов воздействия на атмосферу (Качурин, 1978). Вследствие этого решение проблем климата и погоды «с позиции силы» в большинстве случаев не приносит желаемых результатов. Но в связи с тем, что атмосферные процессы тесно связаны между собой в цепь интерактивных связей, в некоторых ситуациях в определенных звеньях этой цепи процессов создаются условия для неустойчивого равновесия, а связь между звеньями оказывается такой, что малозначимое вмешательство в одно из них влечет изменения в других звеньях, гораздо более значимые {а иногда и катастрофические). Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании градостроитель $ ного освоения территории. В реальных городских условиях застройка, как правило, постоянно изменяет свои свойства в ходе реконструкции, сноса и нового строительства, ремонта и переукладки инженерных сетей и даже за счет изменения окраски фасадов. Однако ее основные черты, связанные с функциональным назначением, морфотипом, исторической ценностью отдельных объектов или ансамблей и так далее, и закрепленные в схемах градостроительного развития, сохраняются. Это дает возможность не только оценить влияние на локальный климат существующих городских образований, но и по результатам этого анализа дать прогноз климатических изменений на «расчетный срок», пользуясь разработанной градостроительной документацией и с учетом наблюдаемых тенденций развития техники и технологий. Наиболее ощутимым воздействием города на климатические условия вмещающего город ландшафта является изменение температуры воздуха. Температурные различия между урбанизированной территорией и окружающими ее неосвоенными или слабо освоенными ландшафтами зависят от ряда факторов. Прежде всего — от размера города, плотности застройки его территории и синоптических условий. Наиболее ярко контраст температуры город-пригород проявляется в ясную, безветренную погоду и исчезает в ветреную облачную погоду. Как показывают многочисленные исследования (Оке, 1987; Ландсберг, 1983; Климат, погода..., 1995), в вечернее время и первые после захода солнца часы температурный контраст между городом и пригородом резче, чем в поддень, а летом проявляется четче, чем зимой при аналогичных синоптических ситуациях. Поле температуры в городе оконтуривается замкнутыми изотермами, которые создают на карте структуру, получившую в литературе название городского «острова тепла». Возникает это явление по следующим основным причинам. Изменение прозрачности атмосферы. Поступающие в атмосферный воздух различные примеси от промышленных предприятий, транспорта и других источников загрязнения атмосферы приводят к уменьшению прямой солнечной радиации. Однако увеличивается рассеянная радиация, что в сочетании с теплоотдачей зданий и сооружений приводит к появлению местного «парникового эффекта». 2. Альбедо в результате застройки территории, как правило, уменьшается, следовательно, увеличивается доля поглощенной солнечной радиации. 3. Уменьшается расход тепла на испарение за счет сокращения площадей с открытым почвенным покровом и занятых зелеными насаждениями. 4. Внутри застроенных территорий формируются зоны застоя воздуха, которые при малых скоростях ветра препятствуют турбулентному перемешиванию приземного слоя атмосферы и выносу тепла в ее вышележащие слои. В результате теплоотдача застройки за счет ухудшения условий турбулентного перемешивания в приземном слое уменьшается по сравнению с незастроенными территориями. Слой атмосферы от поверхности деятельного слоя до высоты кровель зданий в литературе по городской кли -9 матологии получил название «полог города» (по аналогии с пологом леса) и в последнее время стал самостоятельным предметом изучения. 5. В городах на нужды теплоснабжения, транспортного обслуживания и технологических процессов используется большое количество энергоресурсов. В конечном счете, вся вырабатываемая и используемая в городах энергия диссипируется в окружающее пространство - воздух и водные объекты на территории города, приводя к их нагреванию. В климатическом выражении для крупных городов умеренной зоны контраст температуры город-пригород составляет величину 1-3С. Для иллюстрации в табл. 1.1 приведено распределение сезонных норм на 4-х пунктах наблюдения Москвы (рис. 1.1): Балчуг (центр города), ТСХА и ВДНХ (средняя периферия) и Немчиновка (ближний пригород). Как видно из этой таблицы, в центре города зима на 1.5С, а лето на 1.7С теплее, чем в пригороде. Однако в отдельные дни и часы при соответствующих погодных условиях остров тепла может иметь интенсивность до 10С и более (Климат, погода..., 1995). Влияние городов на среднюю скорость ветра не так однозначно. С одной стороны это связано с тем, что очень часто влияние застройки маскируется особенностями рельефа территории города. С другой стороны, пространственная структура застройки такова, что не дает возможности говорить о «непрерывности» ветровых полей, а характеризуется их сильной контрастностью. Так, например, зоны застоя воздуха, формирующиеся в периметрально-замкнутой застройке или в отдельных дворах, чередуются со струйными течениями вдоль застроенных сплошным фронтом «каньонов» городских магистралей, а «погашенная» у поверхности земли скорость ветра может компенсироваться усилением скорости ветра, обтекающего высотные здания. Суммарный эффект воздействия урбанизированной территории на скорость ветра в большинстве случаев выражается в увеличении числа безветренных (v 2 м/с) дней в городе и снижении максимальной скорости ветра в среднем на 10-30% по сравнению с пригородной незастроенной территорией (Kastern-Klein и Rotach, 2004; Чело-ян, 1979; Серебровский, 1971; Реттер, 1984). На территориях с застройкой повьппенной у плотности и внутри групп зданий, образующих замкнутые и полузамкнутые внутри дворовые пространства, скорость ветра снижается на 70% и более (Лифанов и др., " 1998). В Москве скорость ветра (средние и экстремальные величины) в центре ниже, чем на периферии или за городом во все сезоны. Во все месяцы года месячные нормы скорости ветра на п/н ТСХА и Немчиновка (менее застроенные районы) в 1.5 раза выше месячных норм на п/н Балчуг и ВДНХ.
Общие закономерности изменения альбедо
Фактором, определяющим размер тепловых ресурсов деятельного слоя, и, как следствие, влияющим на размер потоков явного и скрытого тепла и собственное излучение земной поверхности, является альбедо - свойство деятельной поверхности отражать приходящую к ней солнечную радиацию. Поглощенная радиация в естественных условиях является основной приходной частью теплового баланса, В численном виде альбедо (А) выражается через отношение отраженной радиации (R) к суммарной солнечной радиации:
Для городской застройки альбедо может рассматриваться в трех аспектах, зависящих от масштабов решаемой задачи: 1) альбедо отдельных элементов земной поверхности (асфальт, газон, песчано-гравийное покрытие, пруд и т.д.); 2) альбедо отдельных «граней» городской застройки (стены и крыши зданий, участки рельефа, на котором эти здания расположены: примагистральная территория, внутридворовое пространство, территория промплощадки предприятия) и 3) интегральное альбедо городской территории в пределах застроенного участка.
В первом, наиболее простом случае, альбедо той или иной территории, имеющей пространственную неоднородность, может быть определено осреднением частных альбедо поверхностей пропорционально их удельной площади: где; Асреда и S — среднее альбедо и общая площадь расчетной территории, А[И Si — альбедо и площадь территорий с 1-м типом покрытия, Аг и S2 - альбедо и площадь территорий со 2-м типом покрытия и т.д.
Чтобы получаемое значение Асредн было корректным, поверхности не должны иметь активного рельефа и не должны ни затеняться, ни освещаться отраженным от стен окружающих зданий и сооружений светом, поскольку переотраженный свет, возвращаясь к отразившей его поверхности, снова частично поглощается, в результате увеличивается сумма поглощенной радиации, а альбедо поверхности уменьшается. Такой случай по отношению к реальной городской застройке является «идеальным» и имеет ограниченное применение - например, на незастроенных благоустраиваемых территориях.
Свойства альбедо различных поверхностей изучены достаточно подробно (Радиационные характеристики..., 1969; Кондратьев, Федченко, 1982; Гараджа, Евневич, 1972; Чирков, 1979 и др.). Альбедо поверхности деятельного слоя, наряду с высотой солнца и продолжительностью дня является основным фактором, определяющим величину радиационного баланса (Абакумова Г.М., 1989; Фролов и др., 2004).
Альбедо для некоторых элементарных поверхностей рельефа, искусственных поверхностей и зеленых насаждений, наиболее часто встречающихся в городских условиях, приведены в табл. 2.1. Для многих поверхностей альбедо существенно зависит от высоты Солнца, а также состояния этих поверхностей - увлажненности, загрязненности, фенологической фазы (Кондратьев, 1969), состава применяемых в искусственных покрытиях материалов и т.д. Например, альбедо водной поверхности при малых зенитных углах солнца почти в 10 раз выше, чем альбедо, измеренное при положении солнца близко к зениту (табл. 2.2). Для большинства непрозрачных поверхностей зависимость альбедо от высоты солнца выражена слабее, но имеет тот же характер и может быть описана следующим образом (De Rooy, Holtslag, 1999; Iziomon, Mayer, 2000): где a - альбедо при максимальной высоте солнца, \/ - высота солнца (град).
Приведенные данные об альбедо различных поверхностей относятся ко всему спектру солнечной радиации. Согласно данным натурных измерений (Brest, 1987), в видимом диапазоне (0.3-0.725 цм) коэффициент отражения свежеуложенного асфальта, гравия и бетона составляют 4,0, 10.4 и 34.0% соответственно. Эти значения почти не зависят от длины волны. В ближнем инфракрасном диапазоне (0.725-1.4 цы) они составляют соответственно 5.1,10.1 и 33.2%.
Для естественных поверхностей (снег, зеленые насаждения, водная поверхность) также характерна выраженная зависимость альбедо от длины волны (Dirmhirn, 1968; Pease и Pease, 1972; Goward, 1985). Для зеленых насаждений свойственно минимальное отражение солнечной радиации в полосе поглощения хлорофилла (около 0.68 JIM) И воды (около 1.4 цм). На остальных длинах волн отражательная способность растений резко возрастает, что обусловливает высокое значение их интегрального альбедо. С этим, например, связано то, что при более темном оттенке зеленых насаждений, воспринимаемом человеческим глазом, значение их интегрального по всему спектру альбедо выше, чем у ряда искусственных поверхностей, кажущихся более светлыми - например, офактуренного бетона, силикатного кирпича или окрашенных среднесветльтми красками оштукатуренных фасадов.
Снежный покров, напротив, имеет максимальное альбедо в видимом диапазоне, а в среднем и дальнем ИК диапазоне значение альбедо снега, особенно мокрого, приближается к значению альбедо асфальта.
Переходя к более сложному случаю определения альбедо городской застройки -альбедо отдельных «граней» - приходится учитывать влияние двух обстоятельств. Во-первых, каждая из «граней» городской застройки сама по себе состоит из разнородных по отражательной способности поверхностей. Для стен зданий это различные по характеру отделки и окраски участки фасадов, светопроемы, декор. Для примагистральных территорий и внутридворовых пространств это - набор «элементарных» поверхностей в сочетании с элементами благоустройства (проезды, дорожки, площадки, газоны) и древесно-кустарниковой растительностью. Помимо различий в отражательной способности этих поверхностей на альбедо оказывает влияние характер расположения этих «граней» относительно затеняющих и освещающих их отраженным солнечным светом зданий и сооружений.
Во-вторых, как указывалось выше, попадающая внутрь городской застройки солнечная радиация, падая на «грани» застройки, последовательно отражается и передается на другие грани, теряя при каждом переотражении часть своей энергии. В результате, при каждом переотражении «гранями» дополнительно поглощается какая-то часть этой радиации и общее поглощение радиации каждой из «граней» становится больше, чем у аналогичной по отражательной способности грани в случае, если бы она была расположена на открытом пространстве.
Наибольшие трудности возникают при определении интегрального альбедо городской застройки в таком территориальном масштабе, при котором становится невозможно усреднить частные альбедо отдельных «граней» или элементарных поверхностей. Горизонтальный масштаб территории застройки, которую можно считать достаточно однородной для осреднения ее альбедо, определяется непрерывностью распространения морфотипа застройки и характерным размером зданий и сооружений. Минимальный размер такого участка, даже если он застроен небольшими по размерам зданиями, должен быть не меньше 30x30 м. При меньших размерах участка резко возрастает погрешность, связанная со спектральной неоднородностью альбедо различных «элементарных» поверхностей (Small, 2002; Willem и др., 2002). Максимальный размер таких территорий не имеет теоретических ограничений при условии постоянства мор-фотипа застройки, основными показателями которого являются плотность застройки, высота и высотная контрастность зданий, соотношение на поверхности рельефа площадей, занятых тем или иным видом покрытия, а также характера отделки фасадов и постоянства применяемых в застройке кровельных материалов.
Теплоснабжение
Более точную оценку доли испарившихся осадков в г. Москве можно получить, исходя из среднемноголетних метеорологических данных об общем количестве осадков за год и по сезонам, сведений о распределении дождей разной интенсивности и про-должительности, а также сведений о факторах образования поверхностного стока, касающихся распределения поверхностей с различными коэффициентами стока и инфильтрации и механического удаления твердых осадков (снегоуборки).
Среднегодовая норма осадков по городу в целом составляет 640 мм с распреде лением на норму холодного и теплого периода, соответственно, 220 и 420 мм (Климат, погода..., 1995). При этом годовая норма осадков может сильно варьировать: от 300 до 900 мм, меняется она и по территории города и ближних пригородов на 40-50 мм (рис. 1.2). Сток теплого периода (ТП) почти на 50% формируется из дождевых событий с суммой осадков 10 мм и реализуется в виде 12-13 дождевых событий. Вклад дожде вых событий со слоем осадков 5-10 мм составляет 83 мм при их количестве за год 13 15 случаев. Остальные 150 мм слоя осадков теплого периода образуется за счет дожде it вых событий со слоем осадков менее 5 мм, которые, по данным наблюдений на водо стоках, практически не попадают в водосточную сеть. С непроницаемых поверхностей они испаряются после дождя, а с проницаемых и полупроницаемых фильтруются в грунт и расходуются на смачивание поверхности рельефа и растительности. Таким об разом, только 25-28 дождевых событий теплого периода со слоем осадков 270 мм обра зуют поверхностный сток, попадающий в сети ливневой канализации. Далее, из этого слоя осадков, образующих сток, необходимо изъять слой, который остается в виде луж и пленки смачивания на непроницаемых поверхностях, элементах рельефа и растительности. Толщина пленки смачивания зависит от типа поверхности, характера зеленых насаждений и фенологической фазы. Согласно оценкам, приведенным в (Grimmond и Оке, 1991), толщина этой пленки составляет: асфальт - 0.5 мм; стены зданий - 0.25 мм; хвойные деревья —1.2 мм; лиственные деревья - 0.8-Ю.З мм с листвой и без листвы, соответственно; травяной покров - 1.3 мм. По расчетным данным «Мосводостока», слой воды, остающийся в виде пленки смачивания и луж на искусственных поверхностях и переуплотненных участках грун товых поверхностей составляет в среднем 3 мм на каждое дождевое событие, т.е. 75-5-84 мм в год. Таким образом, слой стока теплого периода с непроницаемых поверхностей, перехватываемый ливневой канализацией, составляет около 190 мм (186- -195 мм). На полупроницаемых и проницаемых поверхностях поверхностный сток образуется только при осадках очень высокой интенсивности, имеющих повторяемость 1-3 раза в году, поэтому этот поверхностный сток в практических расчетах можно было бы не учитывать. Тем не менее, предположим, что по крайней мере 250 из 270 мм осадков теплого периода от дождей, превышающих 5 мм, остаются на участках, занятых проницаемыми и полупроницаемыми поверхностями, а остальные 20 мм поступают в ливневую канализацию в виде поверхностного стока. При этом все 150 мм слоя осадков интенсивностью менее 5 мм полностью остаются на этих участках, не поступая в канализационные сети. Таким образом, осадки теплого периода расходуются следующим образом. С непроницаемых поверхностей 190 мм (45%) попадает в сети ливневой канализации в виде поверхностного стока, остальные 230 мм расходуются на испарение. С полупроницаемых и проницаемых поверхностей 20 мм (5%) расходуется в сети ливневой канализации в виде поверхностного стока, остальные расходуются на смачивание растительности, транспирацию, испарение и инфильтруются в грунт. В холодный период (ХГТ) инфильтрация резко сокращается из-за промерзания верхнего слоя грунта, часть осадков накапливается на земной поверхности, зданиях и сооружениях вследствие замерзания остаточного слоя воды на асфальте и намерзания слоя воды на кровлях и фасадах. Средний слой весеннего стока с застроенных территорий для условий Москвы составляет 110-120 мм (СН 496-77). Около 30 мм осадков холодного периода отводится в ливневую канализацию во время оттепелей и осадков, выпадающих в период снеготаяния. Вывоз снега зимой пропорционален объему зимних осадков и составляет 60-80 мм слоя осадков на асфальтированные поверхности или около 20 мм из расчета на всю площадь застроенной части города. Для непроницаемых поверхностей эта величина может быть увеличена до 40 мм. Таким образом, из всего слоя осадков холодного периода, составляющего 220 мм, 110-120 мм расходуется на сток весеннего снеготаяния, 30 мм - сток оттепелей и весенних осадков (эти объемы отводятся в ливневую канализацию) и около 20 мм удаляется с поверхности водосбора при снегоуборках. Оставшиеся 50-60 мм составляют потери на испарение и инфильтрацию. Поскольку слой испарения со снежного покрова в условиях Москвы составляет 40 мм (Лавров, 1990), инфильтрация в грунт в отдельных не промороженных местах почв, которые часто встречаются в большом городе, составляет 20 мм. К потерям на инфильтрацию можно также отнести часть твердых осадков, попадающих на кровли зданий и тающих за счет теплоотдачи зданий даже при отрицательных температурах наружного воздуха. При этом отвод талых вод у большинства зданий (начиная с построек 60-х годов) производится с кровли закрытыми выпусками непосредственно в сети ливневой канализации. Для оценки суммарного годового испарения остается выяснить, какая доля осадков теплого периода на свободной от искусственного покрытия части рельефа расходуется на испарение и транспирацию и какая - просачивается в грунт, формируя подземный инфильтрационный сток. Величина инфильтрации осадков ТП на проницаемых и полупроницаемых поверхностях составляет 200-220 мм (Поверхностный сток..., 1980). С другой стороны, расход влаги на испарение и транспирацию с озелененных территорий города составляет 160-200 мм в теплый период (Лавров, 1990). Таким образом, распределение долей 420 мм летних осадков, выпадающих на незастроенную и не занятую искусственными поверхностями территорию в условиях Москвы составляет: 20 мм - поверхностный сток, 200 мм - испарение и транспирация и 200 мм - инфильтрация в грунт с последующим отведением в сети ливневой канализации.
Итак, для определения доли осадков, расходуемых на испарение и транспирацию с городской площади, охваченной ливневой канализацией, для среднего по водности года получаем данные, приводимые в таблице. 2.11.
Отсюда слой испарения для территории города, охваченной сетью ливневой канализации, составляет около 260 мм или 40.6% от годовой нормы осадков. В естественных условиях испарения с поверхности основных речных бассейнов Московской области это соотношение составляет около 80%. Средняя испаряемость с открытой водной поверхности составляет 920 мм (Ресурсы поверхностных... 1973).
Таким образом, коэффициент стока для территории города составляет 0.59, что довольно близко к нормативному показателю 0.67, определенному нормами планировки и застройки Москвы (МГСН 1.01-99). В ненарушенных условиях коэффициент стока для той местности, где расположена Москва, составлял бы не более 0.25-0.30.
В приведенном выше балансе стока в явном виде не учитываются поливомоеч-ные воды, фигурирующие в нормативной литературе и использующиеся при механизированной уборке улиц и на полив зеленых насаждений. Для объективности введем в водный баланс эти составляющие техногенного происхождения. Подчеркнем, что фактические данные о расходе воды на эти цели отсутствуют. Поэтому расчеты можно выполнить только ориентировочно, используя нормативные показатели расходов воды, которые не всегда соблюдаются.
Структура теплового баланса города и ее сезонные изменения
Кроме неравномерности расхода топлива, обусловленной сезонными и дорожными условиями эксплуатации транспортных средств, существует неравномерность, связанная с сезонной изменчивостью транспортной подвижности населения (Троицкая и Чубуков, 2003; Галабурды, 2001; Самойлов, 1983). Транспортная подвижность - это число поездок, приходящихся на одного жителя в тот или иной интервал времени. Она имеет суточную, недельную и сезонную динамику и это влияет на режим расхода моторного топлива. В городах с умеренно теплым климатом использование автотранспорта для трудовых поездок изменяется по отношению к зимнему сезону в следующих соотношениях: зимой - 1; весной - 3.4-4,2, летом 4.3-7.7, осенью - 3-4. При этом в летнее время в эксплуатации находится до 95% списочного количества автомобилей в городе, зимой - немного более 50%. В Москве в часы «пик» по улично-дорожной сети движется более 400 тыс. автомобилей (О состоянии окружающей..., 2003). Максимальное использование автотранспорта в час «пик» в летнее время составляет около 20% от общего количества автомобилей в городе. Аналогичные показатели по интенсивности использования автотранспорта используются в нормативно-методической литературе по проектированию и строительству на территории Москвы (Пособие к МГСН... ). Рекомендуемые для расчета массы выбросов ЗВ и расчета систем вентиляции от гаражей-стоянок величины использования автотранспорта составляют в час «пик»: выезд — 20%, въезд — 4%; общий разбор автомобилей в наиболее напряженные сутки рекомендуется принимать в размере 70% от количества мест хранения автомобилей.
Как видно из приведенных выше сведений, определение временной динамики расхода автомобильного топлива посредством учета общего пробега транспортных средств по территории города является чрезвычайно сложной задачей, требующей использования большого количества фактических и статистических данных. Поэтому нами для оценки временной динамики выделения энергии от использования автомобильного топлива использовались статистические данные о недельных и месячных объемах его реализации по материалам «Агентства консультаций и деловой информации «Экономика и жизнь» [http://www.akdi.ru/].
На рис. 3.5 представлены объемы реализации моторного топлива (бензины всех марок и ДТ) на внутреннем рынке РФ, в том числе объемы реализации бензина через АЗС. Как видно из этого рисунка, потребление моторного топлива заметно увеличивается в летние месяцы. Это связано, прежде всего, с увеличением транспортной подвижности владельцев индивидуальных транспортных средств и части населения, пользующегося общественным транспортом. Уровень потребления моторного топлива в летние месяцы на территории РФ составляет 2.2-2.3 млн.т., что на 20-30% выше, чем в зимнее время, даже несмотря на увеличение в холодном полугодии удельного расхода топлива на 15-20%.Объемы потребления моторного топлива, реализуемого через АЗС, составляют около 50% от всего объема реализации и имеют аналогичную сезонную динамику. Хорошо выражен зимний минимум потребления бензина с наименьшими значениями в январе-феврале и летний (июнь-август) максимум, когда реализация составляет 120—130% от уровня зимних значений. Однако если общая реализация максимальна с середины лета до начала осени, то максимум реализации через АЗС приходится на июнь-август, т.е. несколько опережает максимум общей реализации. Изменение объемов продаж моторного топлива определяется не только от природно-климатическими условиями, но и социально-экономическими факторами. На рис. 3.1.6 представлена динамика реализации бензина за отдельные недели, значение реализации за текущую неделю приведено в % от объемов реализации за предыдущую неделю (данные за 2000-2003 гг.). Этот рисунок дает возможность определить периоды роста и падения спроса на бензин в течение года. Как видно на этом рисунке, снижение спроса на моторное топливо в целом и в частности на бензин АИ-95-98, используемый в основном для легковых автомобилей, наблюдается с конца лета вплоть до конца года. Обращает на себя внимание рост спроса во 2-й половине декабря и очень резкое падение спроса в первую неделю января - на 25-30%. Устойчивый рост спроса на моторное топливо начинается в середине-конце марта по РФ в целом. В Москве спрос начинает расти только в конце апреля, прерываясь «провалом», связанным с майскими праздниками. Следующий период устойчивого роста спроса на бензин в Москве приходится на конец лета - начало осени. Динамика спроса на моторное топливо в Москве отличается от динамика спроса на моторное топливо по РФ в целом ее меньшей выраженностью. Это связано с тем, что в последние годы уменьшается доля индивидуального автотранспорта, не используемого в зимнее время, а уменьшение спроса по этому фактору компенсируется увеличением спроса, связанным с зимними условиями эксплуатации ТС в городе. Т.е. можно сказать, что в Москве удерживается постоянно повышенный спрос на моторное топливо.
