Design methods for water supply and sewerage systems in dense urban development and large metropolitan areas: the cases of Saint Petersburg and Dubai

Введение

Проектирование сетей мегаполиса и сетей малого города — разные задачи, и различие носит качественный характер. Во-первых, сеть проектируется не с чистого листа, а как приращение или реконструкция системы, которая работает десятилетиями. Во-вторых, решение по одному объекту меняет режим работы всей системы. В-третьих, цена ошибки выше, поскольку к прямым затратам добавляются косвенные издержки для городской экономики.

Санкт-Петербург и Дубай удобны для сравнения именно своей контрастностью. Санкт-Петербург — исторический город, централизованный водопровод которого был заложен в середине XIX века, с поверхностным источником водоснабжения, слабыми водонасыщенными грунтами, высоким уровнем подземных вод и жёсткими ограничениями по сохранности объектов культурного наследия. Дубай сформировался преимущественно за последние 50 лет, полностью зависит от опреснения морской воды, расположен в аридной зоне на себховых и песчаных грунтах, имеет исторически напорную схему водоотведения и практически не имел до недавнего времени системы ливневой канализации. Сопоставление этих систем позволяет отделить универсальные принципы от решений, продиктованных местными условиями.

Цель работы — сопоставить методические подходы и инструментальные средства проектирования систем водоснабжения и водоотведения в двух контрастных по природным и институциональным условиям мегаполисах и выделить элементы зарубежной практики, применимые в отечественном проектировании.

Основная часть

Уровни проектирования. Проектирование идёт по нескольким уровням, каждый из которых детализирует решения предыдущего и одновременно ограничен ими. Уровни и их наполнение в обеих системах приведены в таблице 1.

Таблица 1

Уровни проектирования и их содержание

Уровень	Российская Федерация (Санкт-Петербург)	Дубай (ОАЭ)
Стратегический	Генеральный план города; схема водоснабжения и схема водоотведения (ФЗ № 416-ФЗ [10], ПП РФ № 782 от 05.09.2013 [17]). Для Санкт-Петербурга утверждена постановлением Правительства СПб от 11.12.2013 № 989 [11] на период до 2025 г. с учётом перспективы до 2030 г. Расчётный период истёк, новая редакция на 17.08.2026 не утверждена	Dubai Urban Master Plan 2040; отраслевые мастер-планы Dubai Municipality и DEWA
Программный	Инвестиционная программа ресурсоснабжающей организации, программа комплексного развития систем коммунальной инфраструктуры	Капитальные программы Dubai Municipality и DEWA, в том числе по модели PPP / DBFO
Проектный	Проектная документация по ПП РФ от 16.02.2008 № 87 (ред. от 21.10.2025); государственная экспертиза	Concept Design → Preliminary (30 %) → Detailed Design (60/90/100 %) с обязательными value engineering workshops и согласованием DM / DEWA / RTA
Рабочий	Рабочая документация, авторский надзор	Shop drawings, IFC drawings

Институционально подходы расходятся в следующем. В России проектная документация проходит обязательную государственную экспертизу на соответствие техническим регламентам и сводам правил. В Дубае контроль устроен иначе: согласование со всеми владельцами сетей и утверждение проекта заказчиком-регулятором, при этом ответственность за инженерные решения в большей степени несёт консультант-проектировщик.

Предписывающее нормирование и нормирование по критериям. Российская школа опирается на своды правил, которые задают и расчётные методики, и конкретные предписывающие требования: свод правил по водоснабжению [21] и свод правил по водоотведению [22], оба в действующей редакции с изменениями. Удельное водопотребление, коэффициенты неравномерности, наполнения, скорости и минимальные уклоны прописаны прямо в тексте, а соответствие им проверяет экспертиза.

Дубайская модель построена на design guidelines — руководящих документах, издаваемых регулятором [7; 8; 9]. Расход сточных вод принимается равным примерно 80 % от расчётного водопотребления, установленного DEWA, при эквивалентной удельной норме 280 л/чел·сут. Минимальная самоочищающая скорость в самотечном коллекторе составляет не менее 0,75 м/с при расчётном наполнении, максимальная — не более 2,5 м/с. Расчётное наполнение d/D принимается в пределах 0,50–0,70 для диаметров до 500 мм, 0,50–0,65…0,70 для 500–800 мм и 0,50–0,65 для диаметров свыше 800 мм. Гидравлический расчёт выполняется по формуле Колбрука — Уайта либо Маннинга, а минимальный уклон определяется по двум критериям — самоочищающей скорости и минимальному касательному напряжению порядка 1,5 Па, из которых принимается больший. Минимальная глубина заложения составляет 1,2 м до верха трубы, при наличии бетонной защиты — 0,5 м, при пересечении дорог бестраншейным способом — не менее 2,5 м; вертикальный просвет до водопровода составляет 0,5 м, до кабельных сетей — 0,3 м, минимальное горизонтальное расстояние между сетями — 3 м. Рекомендуемая максимальная глубина заложения равна 10–12 м, при большей глубине проектировщик обязан рассмотреть вариант с насосной станцией. Отдельно нормируется расчётный срок службы активов по типам сооружений — принцип, отсутствующий в явном виде в российских сводах правил, — и обязательно проектируются системы контроля запаха на насосных станциях при расчётной средней концентрации сероводорода 50 ppm и остаточной концентрации на выпуске менее 1 ppm.

Обязательным элементом дубайской процедуры является value engineering workshop: по каждой сессии оформляется отчёт, альтернативные варианты разбираются критически, а глубина заложения коллектора и размещение насосных станций выбираются в том числе по минимуму стоимости жизненного цикла. В российской практике такая процедура необязательна и регламентом не закреплена.

Гидравлическое и гидродинамическое моделирование. Главным методическим изменением последних двадцати лет стал переход от поверочного расчёта отдельного участка к имитационному моделированию всей системы. Свободно распространяемый комплекс EPANET получил статус фактического отраслевого стандарта расчёта напорных систем подачи и распределения воды: он определяет расходы по участкам, узловые напоры, распространение примесей, концентрацию остаточного хлора и «возраст» воды, обеспечивая расчёт альтернативных сценариев [24]. Коммерческие комплексы Bentley WaterGEMS и WaterCAD построены на том же ядре и интегрируются с ArcGIS, AutoCAD и MicroStation, поддерживая калибровку модели, оптимизацию диаметров, анализ пожарных расходов и зонирование сети. Гидродинамическое моделирование самотечных и напорно-самотечных систем водоотведения и ливневой канализации выполняется в DHI MIKE URBAN, MIKE+ и Innovyze InfoWorks ICM с решением полных уравнений Сен-Венана и моделированием подпоров, переливов и взаимодействия «сеть — поверхность» при подтоплениях; дождевой сток и совмещённые системы моделируются в SWMM. Отечественные решения [6; 14] включают ИСС «Zulu Hydro» и «ZuluDrain», «CityCom-ГидроГраф» и модули гидравлического расчёта в составе nanoCAD BIM ВК.

Наибольший эффект модели дают при обосновании реконструкции: калиброванная модель позволяет сравнить в цифрах перекладку с увеличением диаметра, санацию с сохранением диаметра, строительство дублирующей нитки и установку регулирующей ёмкости, а затем выбрать решение с наименьшими приведёнными затратами. Применительно к Дубаю имитационное моделирование послужило основой обоснования перехода от насосной схемы к самотечной в рамках программы DSST.

Информационное моделирование, ГИС и цифровые двойники. В Российской Федерации формирование и ведение информационной модели объекта капитального строительства обязательно для объектов, финансируемых с привлечением бюджетных средств [16]. Для линейных объектов водоснабжения и водоотведения информационная модель решает несколько задач [9]: автоматизированный поиск коллизий с существующими сетями и конструкциями, что существенно при плотности 10–15 сетей в поперечном профиле улицы; автоматическое формирование спецификаций и объёмов работ с увязкой модели со сметой; моделирование последовательности производства работ и стеснённых условий площадки, включая обоснование схем перекрытия движения; передачу атрибутивной информации в систему эксплуатации. В Дубае обязательность BIM введена циркулярами Dubai Municipality для зданий определённой этажности и площади, а для крупных инфраструктурных проектов требование о применении технологий информационного моделирования закрепляется условиями контракта; на проектах уровня DSST и Tasreef применяется полный цикл информационного моделирования с единой средой хранения и обмена данными.

Геоинформационная система водоканала связывает проектирование с эксплуатацией: в ней хранятся фактическая топология сети, паспортные данные, история аварий и ремонтов, результаты телеинспекции. Связывание ГИС, гидравлической модели, телеметрии и системы управления активами формирует цифровой двойник — среду, в которой проектное решение проверяется на реальных эксплуатационных данных ещё до начала строительства. Сходные подходы описаны и применительно к системам водоотведения, где информационная модель служит основой для гидравлических расчётов и построения автоматизированной системы управления водоотведением [2]. К наиболее развитым областям применения цифровых двойников относятся управление давлением и снижение неучтённых расходов воды, прогнозирование аварийности и приоритизация участков для реконструкции, а также оперативное управление ливневыми и совмещёнными системами в периоды выпадения интенсивных осадков.

Стоимость жизненного цикла как критерий. Обе школы движутся в одну сторону: критерий оптимальности смещается от минимума сметной стоимости строительства к минимуму приведённых затрат за жизненный цикл, включающих капитальные вложения, эксплуатационные затраты, прежде всего электроэнергию на перекачку, затраты на ремонт и реконструкцию, а также остаточную стоимость. Для систем водоотведения мегаполиса основную долю эксплуатационных издержек формируют энергозатраты на перекачку, что послужило экономическим обоснованием перехода к самотечной схеме глубокого заложения в дубайской практике.

Проектная практика Санкт-Петербурга. Система водоотведения города включает свыше 9,4 тыс. км канализационных сетей, около 279 км тоннельных коллекторов и более 240 канализационных насосных станций [3]. Водоснабжение более 5,3 млн жителей обеспечивают девять водопроводных станций, крупнейшие из которых — Главная, Северная и Южная. Источником водоснабжения служит река Нева, что определяет специфику водоподготовки и высокую чувствительность системы к качеству поверхностного источника. Проектирование ограничивают слабые водонасыщенные глинистые грунты и погребённые торфа, высокий уровень подземных вод, склонность пылеватых песков к переходу в плывунное состояние, историческая застройка на ленточных бутовых и деревянных свайных фундаментах, обладающая повышенной чувствительностью к дополнительным осадкам, а также охранные зоны объектов культурного наследия и метрополитена.

Отдельно следует отметить состояние стратегического уровня документации. Схема водоснабжения и водоотведения Санкт-Петербурга утверждена постановлением Правительства Санкт-Петербурга от 11.12.2013 № 989 на период до 2025 года с учётом перспективы до 2030 года и трижды актуализировалась в 2015, 2021 и 2023 годах [11; 26]. По состоянию на август 2026 года расчётный период схемы истёк, а новая редакция не утверждена. Между тем именно схема служит основанием для разработки и утверждения инвестиционных программ ресурсоснабжающих организаций, поэтому разрыв в её актуализации напрямую ослабляет обоснование проектных решений на нижележащих уровнях.

В качестве характерного объекта рассмотрен Главный канализационный коллектор северной части города — магистраль от канализационной насосной станции на Зольной улице до Северной станции аэрации протяжённостью 24,2 км [1; 3; 4]. При его строительстве, завершённом в основном объёме в 2013 г., применялась закрытая механизированная проходка, позволившая вести работы в условиях плотной городской застройки без вскрытия дорожного полотна и перекладки смежных коммуникаций. Следует отметить терминологическую неточность отраслевых публикаций, в которых эти работы именуются микротоннелированием: при диаметрах тоннелей 4,0–4,5 м и глубинах заложения до 90 м речь идёт о щитовой проходке тоннелепроходческим механизированным комплексом, поскольку микротоннелирование по определению предполагает дистанционно управляемую проходку без присутствия персонала в выработке при диаметрах не более 3 м. Проходка выполнялась на глубинах до 90 м, для обеспечения работ было устроено несколько десятков вертикальных шахтных стволов. В настоящее время реализуется строительство второй нитки первого участка протяжённостью около 12 км диаметром 4,5 м.

Проектные особенности, обусловленные местными условиями, состоят в следующем. Глубокое заложение с выходом в устойчивые нижнекембрийские глины продиктовано непригодностью верхней толщи четвертичных отложений для проходки. Обязателен геотехнический прогноз влияния проходки на осадки зданий с назначением зоны влияния и системы мониторинга [19]. Проходка с активным пригрузом забоя применяется как основное техническое решение при работе в водонасыщенных грунтах, а число шахтных стволов минимизируется, поскольку каждый требует отдельного участка на поверхности и согласований. Изношенные распределительные сети восстанавливают бестраншейно: типовое решение — замена чугуна 1960–1970-х годов на полиэтилен методами санации или разрушения старой трубы, нередко с увеличением диаметра, например со 150 до 225 мм; приоритет бестраншейных методов при реконструкции прямо закреплён в своде правил [23].

Проектная практика Дубая. Водоснабжение Дубая практически полностью обеспечивается опреснением морской воды. Совокупная производительность опреснительных установок DEWA составляет порядка 495 MIGD с планом увеличения до 735 MIGD к 2030 г.; пиковый спрос в 2024 г. достигал 455 MIGD [20]. Стратегическим направлением является переход от термических методов к обратному осмосу с питанием от возобновляемых источников: проект Hassyan мощностью 180 MIGD реализуется по модели независимого производителя воды и является крупнейшим в мире объектом такого рода, использующим технологию обратного осмоса [21]. Отсюда проектная установка, которой нет в Петербурге: кубометр воды здесь стоит существенно дороже, поэтому распределительную сеть проектируют прежде всего под минимум потерь и энергозатрат, а очищенные сточные воды для орошения и технических нужд считают полноценным вторым источником водоснабжения и проектируют под них отдельную напорную сеть. Геотехнические условия определяются себховыми грунтами прибрежной зоны, представляющими собой переслаивание песков, глин и эвапоритов, высокосжимаемыми и агрессивными по отношению к бетону и арматуре, в сочетании с высокоминерализованными подземными водами [27; 29], что обусловливает применение коррозионностойких материалов и предъявление специальных требований к бетону.

• DSST — крупнейший в регионе инфраструктурный проект в области водоотведения. Содержание программы составляет замена исторически сложившейся насосной схемы, включающей более сотни насосных станций, самотечной системой глубоких тоннелей. Общая протяжённость превышает 200 км глубоких тоннелей плюс сети присоединительных трубопроводов; две системы тоннелей завершаются терминальными насосными станциями при очистных сооружениях в районах Джебель-Али и Варсан. Пакет J1 включает около 42 км тоннелей и 10 км присоединительных трубопроводов, пакет W — 16 км тоннелей и 46 км трубопроводов. Глубина заложения достигает 90 м при диаметре тоннелей от 3 м. Оценки стоимости составляют около 25 млрд дирхамов, порядка 6,8 млрд долл. США, по капитальным затратам и до 80 млрд дирхамов, порядка 22 млрд долл. США, с учётом затрат жизненного цикла в модели ГЧП. Расчётный срок службы системы превышает 100 лет, реализация ведётся по модели DBFO с 25–35-летним периодом эксплуатации концессионером [12; 13; 15; 25].^*

Методически DSST показателен тем, что принципиальную схему системы задал критерий стоимости жизненного цикла: отказ от сотен насосных станций экономит электроэнергию, сокращает персонал и снижает затраты на реновацию, и это окупает капитальные вложения в глубокие тоннели, которые в разы выше. Модель ГЧП с длительным эксплуатационным периодом институционально закрепляет ответственность проектировщика и подрядчика за эксплуатационные показатели.

Экстремальные осадки апреля 2024 г. показали, что существующая система поверхностного водоотвода не справляется. В июне 2024 г. утвердили программу Tasreef стоимостью 30 млрд дирхамов со сроком реализации до 2033 г. [18; 28]. Программа предусматривает увеличение пропускной способности сети ливневой канализации на 700 %, до более чем 20 млн м³/сут, при расчётном расходе системы 230 м³/с; по этому показателю система является крупнейшей в регионе системой сбора дождевого стока в едином контуре. Применяются глубокие самотечные тоннели с пропускной способностью отдельного тоннеля до 4 м³/с, что обеспечивает снижение капитальных и эксплуатационных затрат на насосные станции примерно на 20 %, а выпуск осуществляется в море через подводные трубопроводы, в частности по проекту DS411 длиной 4,0 км диаметром 2 м с пропускной способностью 9 м³/с [5]. Схема Tasreef представляет собой переход от локальных решений по водоотводу к системному, предусматривающему единый контур сбора, глубокий транспортный тоннель и морской выпуск; одновременно она решает проблему подъёма уровня подземных вод в застроенных районах.

Сравнительный анализ подходов. Результаты сопоставления сведены в таблицу 2. Сравнение ведётся по двенадцати признакам: от источника водоснабжения и типа регулирования до модели финансирования и критерия оптимальности. Признаки подобраны так, чтобы за каждым стояло конкретное проектное следствие, а не общая характеристика города.

Таблица 2

Сопоставление подходов к проектированию систем водоснабжения и водоотведения в Санкт-Петербурге и Дубае

Признак	Санкт-Петербург	Дубай
Источник водоснабжения	поверхностный (р. Нева), водоподготовка	опреснение морской воды, TSE как второй источник
Тип регулирования	нормативно-предписывающий (своды правил, госэкспертиза)	нормирование по критериям (design guidelines, NOC, ответственность консультанта)
Ключевые документы	СП 31.13330.2021, СП 32.13330.2018, СП 249.1325800.2016, СП 341.1325800.2017, СП 399.1325800.2018, СП 42.13330.2026	DM Sewerage / Stormwater / STP Design Guidelines (ред. 01.2025), Local Order № 8/2002, DEWA Water Regulations
Нормирование расхода стоков	по удельному водопотреблению и коэффициентам неравномерности	80 % от водопотребления DEWA; 280 л/чел·сут
Гидравлические критерии	нормированные наполнения и минимальные скорости самоочищения	v = 0,75…2,5 м/с; d/D = 0,50…0,70; двойной критерий уклона
Определяющий геотехнический фактор	слабые водонасыщенные грунты, плывуны, высокий УГВ, осадки исторической застройки	себховые грунты, высокая минерализация подземных вод, коррозионная агрессивность
Преобладающие материалы труб	ПЭ100, ВЧШГ, железобетон с футеровкой, стеклопластик	GRP, HDPE, uPVC, MDPE; RCC с полимерной футеровкой
Доминирующая схема водоотведения	смешанная (самотечно-напорная), исторически совмещённая канализация в центре	переход от преимущественно напорной к глубокой самотечной
Флагманский проект	ГКК северной части, 24,2 км, щитовая проходка, глубина до 90 м, Ø 4,0–4,5 м	DSST — свыше 200 км тоннелей; Tasreef — 230 м³/с ливневого стока
Модель финансирования	бюджет и инвестиционная программа ГУП	ГЧП (DBFO), концессия на 25–35 лет
Обязательность ТИМ/BIM	ПП РФ № 331 от 05.03.2021 (бюджетные объекты)	циркуляры DM с 2015 г.; контрактное требование на крупных проектах
Критерий оптимальности	преимущественно сметная стоимость строительства	стоимость жизненного цикла, обязательный value engineering

 

Заключение

Сопоставление проектных практик Санкт-Петербурга и Дубая показывает, что различия в проектных решениях лишь отчасти объясняются природно-климатическими и геотехническими условиями; сопоставимое влияние оказывают институциональная модель регулирования и способ финансирования проекта. Государственно-частное партнёрство с длительным эксплуатационным периодом выступает самостоятельным инструментом смещения проектных решений в сторону минимума стоимости жизненного цикла. Общим для обоих городов является переход от проектирования отдельного объекта к проектированию системы: крупные решения обосновываются на калиброванной гидравлической модели системы в целом с расчётом сценариев её развития.

Из дубайской практики целесообразно заимствовать три элемента. Первый — обязательный регламентированный этап value engineering с документированным сопоставлением альтернатив. Второй — явное нормирование расчётного срока службы активов по типам сооружений. Третий — применение критерия минимальной стоимости жизненного цикла как основного при выборе принципиальной схемы, а не только при сравнении равнозначных вариантов.

Для Санкт-Петербурга ключевым направлением развития методики проектирования является интеграция геотехнического прогноза, то есть расчёта осадок застройки при проходке, непосредственно в информационную модель линейного объекта: тогда риски видны на ранней стадии, а выбор между открытым и закрытым способом получает обоснование. Опыт Дубая по проектированию систем повторного использования очищенных сточных вод в качестве самостоятельного источника водоснабжения применим и в отечественной практике, прежде всего для технического водоснабжения промышленных потребителей и полива, что снижает нагрузку на системы питьевого водоснабжения. Отдельного внимания требует истёкший расчётный период схемы водоснабжения и водоотведения Санкт-Петербурга: её актуализация является условием обоснованности решений на программном и проектном уровнях.

[1]Расхождение оценок объясняется разной базой счёта, а не противоречием в данных: 6,8 млрд долл. США — капитальные затраты на строительство, тогда как 22 млрд долл. США — совокупная стоимость за весь жизненный цикл в модели государственно-частного партнёрства, включая эксплуатацию концессионером в течение 25–35 лет. Напрямую эти величины сопоставлять некорректно.