ASSESSING THE IMPACT OF URBANIZATION ON DIRECT RUNOFF IN DISTRICT 8, HO CHI MINH CITY

Full Text

Введение Хошимин - быстрорастущий мегаполис с населением 7,4 млн человек - сталкивается со значительным и растущим риском наводнений [1, 2]. Более 60 % административной территории расположено ниже 1,5 м над уровнем моря [3] и состоит из разветвленной сети каналов и рек. Такие географические особенности в сочета- Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 146 ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО. ПЛАНИРОВКА СЕЛЬСКИХ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ нии с периодами сильных дождей и районами, расположенными выше по течению, означают, что город сталкивается с частым и значительным риском наводнений [4, 5]. Растущая роль города в экономике Вьетнама и Юго-Восточной Азии, а также рост малообеспеченного населения, заселяющего ветхое жилье в контуре каналов, способствующее уплотнению его контура, еще больше увеличивают социальные, экономические и экологические риски урбанизации и, как следствие, будущих наводнений. За последние десять лет частота экстремальных дождей с количеством осадков более 100 мм утроилась, что значительно больше, чем ожидалось при планировании инфраструктуры [5]. В последние десятилетия наращивает темпы урбанизация, которая приводит к значительным изменениям в землепользовании, увеличивая площадь непроницаемой поверхности. Кроме того, ограниченный земельный фонд и темпы роста населения в престижных (высоких) центральных районах привели к значительному уплотнению застройки в контуре каналов [6]. Следствием вышеупомянутых процессов является то, что быстрое увеличение площади застройки, а также развитие транспортной системы значительно увеличивают площадь «запечатанной» поверхности, что означает уменьшение площадей водной поверхности и озелененных территорий города. Под запечатанными, или непроницаемыми, понимаются городские территории под жилыми зданиями, дорогами, тротуарами, складскими и производственными помещениями, а также другими строениями и коммуникациями [7]. А уплотнение застройки в контуре рек и каналов препятствует доступу людей к рекам и каналам, загрязняет источники воды и нарушает экологический баланс вдоль водных акваторий города. Одним из наиболее крупных и проблемных районов Хошимина, столкнувшихся с уплотнением застройки, является район 8 с более чем 10 000 жилых строений в контуре канала. Следствием вышеуказанных воздействий является увеличение риска и ущерба от наводнений в городе [8]. Поэтому в статье будет сделан акцент на анализ и оценку почвенного покрова, а также будет установлено его влияние на показатели обводненности территорий в контуре канала. Цель статьи - оценить состояние почвенного покрова и его влияние на наводнение города Хошимина путем расчета поверхностного стока на различных урбанизированных участках района 8. Материалы и методы исследования Границы исследования Район 8 - один из центральных районов города, прилегающий к пригородным районам, площадью 1880 га, обладающий сложной системой каналов. Рельеф района 8 относительно равнинный, средняя высота 1,2 м [9]. Сочетание топографии с высокой плотностью рек делает район 8 одним из самых уязвимых районов Хошимина для наводнений. Кроме того, он также является одним из центральных районов Хошимина с высокой плотностью населения - 22240 чел. / км2 [10] и самой сложной ситуацией с уплотнением контуров канала в городе. По статистике Департамента строительства в 2019 г. в районе 8 Хошимина более 10 тыс. домов расположены в прибрежной зоне, выходящей на канал [6]. Район 8, расположенный на границе между центральным и пригородным районами, имеет относительно разнообразный статус землепользования с разной степенью урбанизации и различной плотностью застройки. Север района 8 граничит с центральными районами города (районы 6, 5, 4, 1), а юг граничит с пригородным районом (район Бинь Чан), поэтому уровень урбанизации также постепенно увеличивается с юга на север района. Таким образом, район 8 выбран в качестве объекта исследования с целью анализа влияния урбанизации на поверхностный сток и её оценки на степень обводнения территории города. Материалы Снимок дистанционного зондирования земли (ДЗЗ) района 8 получен с помощью Google Earth в 2019 г. [11], цифровая модель рельефа (ЦМР), разрешение 5x5 м (рис. 1). Для расчета поверхностного стока для района 8, г. Хошимин, модель осадков, используемая в исследовании, выполнена на станции Таншоннят с трехлетним повторяющимся циклом перелива (93,1 мм) [12]. Методы исследования Методология исследования осуществляется по этапам, представленным на рис. 2. Интерпретация изображений дистанционного зондирования земли (ДЗЗ) выполнялась в программе ArcGIS. Типы почвенного покрова (использования земель), классифицированные с помощью инструментальной классификации по методу подобия (Maximum Likelihood Classification), включают 4 типа, в том числе: водная поверхность, застройка, озеленение, пустая земля, дороги и улицы. Результаты интерпретации проверялись матрицей ошибок и индекса каппа с точностью до 91,2 %. Район исследования был разделен на 30 суббассейнов с использованием гидрологических инструментов в программном обеспечении Arc-GIS с ЦМР в качестве входных данных, чтобы обеспечить достаточную детализацию В. М. Нгуен, Е. Ю. Зайкова 147 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 для поддержки модели SCS TR-55. Суббассейн используется для моделирования стока с заданного участка земли. Каждый суббассейн генерирует гидрограф стока, который обычно направляется в участок ниже по течению или в пруд. Суббассейн также можно использовать для учета дождя, попадающего непосредственно на поверхность пруда. Суббассейны были разделены от 5-метровой ЦМР путем расчета сетки направления потока и сетки накопления потока (с пороговым значением 4000 ячеек или 10 га) с использованием инструментов направления потока (Flow Direction tool) и суммарного стока (Flow Accumulation tool). После этого точки устья для суббассейнов были добавлены на основе сетки накопления стока, чтобы они стали узлами водотоковой сети, полученной в результате накопления стока и для разделения района исследования на суббассейны. Детали, относящиеся к разграниченным суббассейнам, показаны на рис. 3. Используемый метод расчета поверхностного стока - это метод фильтрационной кривой (SCS-CN - The Soil Conservation Service Curve Number) [13], разработанный Службой охраны почв США (US, Soil Conservation Service) и подходящий для оценки последствий изменения землепользования в результате урбанизации [14, 15]. Объем поверхностного стока в этом методе зависит от количества осадков, типа земле- Рис. 1. Снимок ДЗЗ района 8 [11] (а) и цифровая модель рельефа (ЦМР) (б) района 8 с разрешением 5x5 м а б Рис. 2. Блок-схема, показывающая методологию исследования (автор Нгуен Ван Минь) Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 148 ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО. ПЛАНИРОВКА СЕЛЬСКИХ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ пользования и влажности почвы. Переменные в методе SCS показаны на рис. 4 [16]. В этом методе отношение количества непрерывных инфильтраций (Fa) к поверхностному стоку (Pe) рассчитывается по формуле (1) где S - максимальная инфильтрационная ёмкость грунтов; P - количество атмосферных осадков. По принципу сохранения P = Pe + Ia + Fa, следовательно, Fa=P - Pe - Ia. Основное уравнение метода SCS для расчета поверхностного стока в результате появления большого количества осадков запишем как (2) Изучая результаты экспериментов на многих небольших бассейнах, Служба охраны почв США из накопленного опыта выявила, что Ia = 0,2S. Для условий Вьетнама, экспериментальных и скорректированных, величина Ia рассчитывается по формуле [17]: (3) Заменив (3) на формулу (2), получим: (4) Максимальная инфильтрационная ёмкость грунтов бассейна (S) и свойства бассейна связаны друг с другом через нумерацию кривой CN (Curve number): (5) Значения CN в зависимости от типа почвенного покрова представлены в табл. 1. Значение CN для территории с разными типами почвенного покрова определяется по следующей формуле [19]: (6) где CNc - общее значение номера кривой территории или участка; CNi - номер кривой подобласти i; Ai - площадь подобласти i; n - общее количество подобластей. Результаты исследования Наложения интерпретированы и представлены на карте (рис. 5), где они разделены в соответствии с границами суббассейнов. Большая доля площади застройки заметно выделяется, в то время как относительно небольшая площадь озеленения в основном сосредоточена на суббассейнах на юге. Площадь застройки района 8 постепенно снижается с севера на юг. Север района 8 граничит с центральными районами, а юг - с пригородными районами. Рис. 4. Переменные в методе SCS: Ia - расход влаги на испарение и транспирацию; Fa - непрерывная инфильтрация грунтов; Рис. 3. Суббассейны района 8 Pe - величина поверхностного стока Таблица 1 Нумерация кривой (CN) для каждого типа почвенного покрова в г. Хошимине [18] Типы земельного покрова Описание Значение CN Водная поверхность Реки, ручьи, пруды, озера, каналы 100 Застройка Здания, сооружения, лодки 93 Озеленение Деревья, кустарники, трава, зелень 65 Пустая земля Песок, голая земля 86 Улицы и дороги Улицы, дороги, проезд, мосты 98 В. М. Нгуен, Е. Ю. Зайкова 149 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 Конкретные цифры представлены в табл. 2. По всей территории доля непроницаемой поверхности (твердая поверхность, включая застройки, улицы и дороги) относительно высокая - 70,7 %. Что касается каждого суббассейна, самым высоким является суббассейн 2 (86,39 %), самым низким - суббассейн 31 (13,8 %). Суббассейны 1, 5, 7, 9, 10, 12 также имеют очень высокий процент твердой поверхности (более 80 %). Очевидна огромная разница в соотношении твердого покрытия между суббассейнами, расположенными недалеко от центра, и пригородными участками. Причина данной ситуации Рис. 5. Карта почвенного покрова по суббассейнам района 8 (автор: Нгуен Ван Минь) Водная поверхность Застройки Озеленение Пустая земля Улицы и дороги связана с тенденцией к урбанизации в Хошимине, густонаселенном во внутренних районах, что приводит к высокой плотности застройки в центральных районах города. Это вызывает такие последствия, как заторы на дорогах, загрязнение окружающей среды, посягательство на каналы и оказывает большое давление на дренажную систему. Высокое соотношение твердых поверхностей снижает потенциал поглощения, тем самым увеличивая поверхностный сток [16]. Чтобы точно оценить влияние соотношения твердой поверхности и водоудерживающей Таблица 2 Доля типов почвенного покрова по суббассейнам в районе 8, г. Хошимин Суббассейн Водная поверхность Застройка Озеленение Пустая земля Улицы и дороги м2 % м2 % м2 % м2 % м2 % 1 10762 8.34 81739 63.37 2863 2.22 4405 3.42 29210 22.65 2 40179 8.10 356335 71.86 18291 3.69 9007 1.82 72091 14.54 3 101015 18.76 318715 59.20 21993 4.08 6774 1.26 89881 16.69 4 99579 9.96 491195 49.13 93098 9.31 101404 10.14 214540 21.46 5 17500 7.20 137819 56.71 8323 3.43 9771 4.02 69591 28.64 6 46546 14.72 169377 53.57 3637 1.15 13851 4.38 82785 26.18 7 50180 9.82 278274 54.48 6828 1.34 28674 5.61 146815 28.74 8 107441 17.35 257996 41.67 64095 10.35 31184 5.04 158455 25.59 9 73226 8.52 425462 49.49 44674 5.20 53198 6.19 263194 30.61 10 47642 8.92 292946 54.82 16490 3.09 28283 5.29 148988 27.88 11 135912 14.17 409837 42.72 90023 9.38 58933 6.14 264619 27.58 12 25373 8.30 158053 51.70 12330 4.03 21333 6.98 88604 28.98 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 150 ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО. ПЛАНИРОВКА СЕЛЬСКИХ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ Суббассейн Водная поверхность Застройка Озеленение Пустая земля Улицы и дороги м2 % м2 % м2 % м2 % м2 % 13 72781 19.73 147396 39.95 22639 6.14 29702 8.05 96411 26.13 14 19098 10.62 64230 35.73 36058 20.06 20326 11.31 40066 22.29 15 106227 24.73 146545 34.11 28378 6.61 39607 9.22 108835 25.33 16 51925 25.49 79605 39.08 22005 10.80 10576 5.19 39586 19.43 17 91087 22.40 144108 35.43 37739 9.28 46573 11.45 87186 21.44 18 19982 5.03 228062 57.36 42100 10.59 37375 9.40 70074 17.62 19 57389 21.72 107047 40.52 37362 14.14 29154 11.04 33224 12.58 20 20724 4.63 211123 47.14 56093 12.53 68076 15.20 91814 20.50 21 21594 3.77 254421 44.41 121216 21.16 79912 13.95 95690 16.70 22 163643 14.92 414659 37.81 204911 18.68 124290 11.33 189161 17.25 23 132658 22.56 110423 18.78 236415 40.20 54356 9.24 54237 9.22 24 74808 32.92 60496 26.62 26040 11.46 20126 8.86 45799 20.15 25 65255 9.96 233872 35.71 106059 16.19 39551 6.04 210226 32.10 26 40619 6.43 141690 22.44 168526 26.69 62442 9.89 218027 34.54 27 131754 36.36 55103 15.21 87083 24.03 22670 6.26 65744 18.14 28 83515 12.94 168803 26.15 213210 33.03 90837 14.07 89074 13.80 29 247744 16.64 297554 19.99 691479 46.45 46965 3.15 204894 13.76 30 43391 20.42 47861 22.53 88477 41.64 8249 3.88 24490 11.53 31 19289 6.46 25419 8.51 217238 72.71 20780 6.96 16036 5.37 Окончание табл. 2 способности данной территории, рассчитывается индекс CN для каждого суббассейна, представленный в табл. 3 и на рис. 6. На основе данных о землепользовании, классифицированных по изображениям дистанционного зондирования, картам планирования землепользования и почвенным данным, значение CN для суббассейнов рассчитывается по формуле (6). В целом район 8 имеет относительно высокое значение CN (в среднем 90), 12 из 31 суббассейнов со значением CN выше 92, только 5 из 31 суббассейнов с индексом CN ниже 85 (см. рис. 6, табл. 3). Cуббассейны, имеющие высокую долю твердой поверхности, обладают большим значением CN, а суббассейны с большими долями зеленого насаждения имеют средние или низкие значения CN. По полученному значению CN поверхностный сток определяется с помощью уравнений (4) и (5) и карты дождя, разработанной для Хошимина с повторяющимся циклом в три года, с общим количеством осадков 93,1 мм за 180 мин. Влияние процесса урбанизации, показанного через результаты расчета поверхностного стока и максимальной инфильтрационной ёмкости грунтов по суббассейнам, показано в табл. 3. Величина поверхностного стока в районе 8 (см. табл. 3) относительно высокая (66,81 мм от количества осадков 93,1 мм). Суббассейн 6 имеет самую высокую величину поверхностного стока (78 мм), что указывает на то, что инфильтрационная ёмкость грунтов (потенциал поглощения) района 8 очень низкая. Это значительно влияет на риск затопления, так как большой сток оказывает повышенное давление на дренажную систему района 8. Если дренажная способность дренажной системы недостаточна, произойдет затопление. Кроме того, низкая водоудерживающая способность района также вызывает недостаточное восполнение грунтовых вод, что приводит к водному дисбалансу и проседанию. Чтобы оценить корреляцию между избыточным количеством осадков и осадками, коэффициент стока C рассчитывается на основе отношения между величиной поверхностного стока (Pe) и количеством осадков (P) по формуле С = Pe/P. Коэффициент стока C рассчитан и представлен в табл. 3. В. М. Нгуен, Е. Ю. Зайкова 151 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 CN≤85 85<CN≤90 CN>90 Рис. 6. Нумерация кривой (CN) по суббассейнам района 8 Таблица 3 Максимальная инфильтрационная емкость грунтов и величина поверхностного стока по суббассейнам района 8, г. Хошимин Суббассейн Нумерация кривой curve number CN Максимальная инфильтрационная ёмкость грунтов S, мм Величина поверхностного стока Pe, мм Коэффициент стока С=Pe/P 1 94 16.6 75.7 0.81 2 93 18.7 73.8 0.79 3 94 16.5 75.8 0.81 4 91 23.7 69.5 0.75 5 94 17.1 75.2 0.81 6 95 14.2 77.9 0.84 7 94 15.2 77.0 0.83 8 92 21.4 71.5 0.77 9 93 18.4 74.0 0.80 10 94 16.8 75.5 0.81 11 92 21.1 71.7 0.77 12 93 17.9 74.5 0.80 13 93 17.9 74.5 0.80 14 88 33.2 62.2 0.67 15 94 17.7 74.7 0.80 16 92 21.0 71.8 0.77 17 92 21.4 71.5 0.77 18 91 26.3 67.4 0.72 19 90 26.9 66.9 0.72 20 90 28.9 65.4 0.70 21 87 37.3 59.3 0.64 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 152 ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО. ПЛАНИРОВКА СЕЛЬСКИХ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ Суббассейн Нумерация кривой curve number CN Максимальная инфильтрационная ёмкость грунтов S, мм Величина поверхностного стока Pe, мм Коэффициент стока С=Pe/P 22 89 31.8 63.2 0.68 23 83 51.5 50.5 0.54 24 92 20.6 72.1 0.77 25 90 27.1 66.7 0.72 26 87 37.9 58.9 0.63 27 89 30.5 64.2 0.69 28 84 47.1 53.1 0.57 29 82 57.2 47.5 0.51 30 83 51.8 50.4 0.54 31 73 94.5 31.7 0.34 Окончание табл. 3 Таблица 4 Модель территории суббассейнов района 8, г. Хошимин Типология застройки Изображение Процент озеленения Нумерация кривой CN Коэффициент стока C Группа 1. Низкая водоудерживающая способность ≤ 12 % CN > 90 C > 0.72 Группа 2. Средняя водоудерживающая способность 13-30 % 85 < CN≤90 0.6≤C≤0.72 Группа 3. Хорошая водоудерживающая способность ≥30% CN≤85 C<0.6 В. М. Нгуен, Е. Ю. Зайкова 153 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 Рис. 7. График корреляции между типами почвенного покрова и коэффициента стока С Коэффициент стока, наблюдаемый в большинстве суббассейнов, превышает 0,5 (только суббассейн 31 имеет коэффициент стока ниже 0,5). Среднее значение C в районе 8 составляет 0,72, это означает, что 72 % осадков в районе 8 при осадке 93,1 мм превратятся в сток. Суббассейны 1, 3, 5-7, 9, 10, 12, 13 и 15 с очень высоким значением коэффициента поверхностного стока (выше 0,8), соответствующим 80 % от общего количества осадков, превратится в сток. Кроме того, по графикам зависимости пропорций поверхностей от коэффициента поверхностного стока обнаруживается большая корреляция между долей площади озеленения и коэффициентом поверхностного стока. Уменьшение площади зеленых насаждений было пропорционально увеличению коэффициента стока, что было незаметно для других типов поверхности (рис. 7). По результатам оценки проницаемости дождевой воды суббассейны разделены на три группы по уровням водоудержания: низкий, средний, высокий. Типы суббассейнов оцениваются с помощью следующих критериев: степени уплотнения каналов и плотности застройки на территории, смоделированных и представленных в табл. 4. Группа 1: Низкая водоудерживающая способность - Нумерация кривой CN> 90, коэффициент поверхностного потока 0,72 - Канал полностью уплотнен - Дома в суббассейнах группы 1 - это в основном частные дома с очень высоким коэффициентом плотности застройка (0.95-1) - Площадь зеленых насаждений в парке очень низкая (<12 %) Группа 2: Средняя водоудерживающая способность - Нумерация кривой от 85-90, коэффициент поверхностного стока от 0,72-0,6 - Канал частично уплотнен - Дома в подбассейнах группы 2 - это частные дома с высоким коэффициентом плотности застройки (0.95-1) в сочетании с частными домами со средней плотностью застройки (0.65-0.95) - Площадь зеленых насаждений относительно высокая (13-30 %): парковая зона Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 154 ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО. ПЛАНИРОВКА СЕЛЬСКИХ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ и незастроенные земли, а также зелень вдоль рек и каналов Группа 3: Хорошая водоудерживающая способность, коэффициент поверхностного стока менее 0,6. - Нумерация кривой менее 85 - Канал не уплотнен - Жилье в суббассейнах группы 3 имеет средний или низкий коэффициент плотности застройка (<0.65) - Площадь зеленых насаждений относительно высокая (более 30 %): парки, незастроенные земли, озеленение вдоль рек и каналов, сельскохозяйственные угодья. Заключение Комбинация метода интерпретации спутниковых изображений и модели SCS может использоваться для оценки поверхностного стока в зависимости от условий землепользования в Хошимине. В дополнение к оценке текущего состояния, вышеупомянутый метод также применим для оценки эффективности мер по планированию снижения наводнений в Хошимине путем изменения землепользования. Урбанизация в районе города Хошимина значительно снизит емкость аккумуляторов дождевой воды, а величина поверхностного стока будет чрезвычайно высокой (в среднем 72 % для осадков 93,1 мм). Поверхностный сток будет увеличен для его большего объема. В августе 2020 г. в Хошимине за 180 мин выпало 198,3 мм осадков, что вызвало сильные наводнения [20]. Влияние урбанизации на поверхностный сток очевидно по результатам оценки района 8. Суббассейны, граничащие с центральными районами города с высокой степенью урбанизации, обладают низкой емкостью инфильтрации грунтов, значительным объемом поверхностного стока. В отличие от загородных участков зазоры с низкой долей твердой поверхности обладают относительно низкой величиной поверхностного стока. Большая разница в величине стока между этими областями очевидна по коэффициенту поверхностного стока C. Таким образом, для снижения риска и ущерба от наводнений, вызванных дождем, и пополнения городского грунтового стока необходимы меры по уменьшению площади твердой поверхности, разуплотнению застройки в контуре рек и каналов, тем самым увеличить емкость инфильтрации грунтов города. Площадь зеленых насаждений и коэффициент поверхностного стока имеют тесную взаимосвязь. Необходимы меры по увеличению площади зеленых насаждений для уменьшения величины поверхностного стока.

About the authors

Van Minh NGUYEN

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University)

Email: mikenguyen@mail.ru

Elena Yurievna ZAYKOVA

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University)

Author for correspondence.
Email: lena_landscape21@mail.ru

References

Supplementary files