Ewolucje standardów projektowania kanalizacji deszczowej – cz. I

Fot. Fotolia.com

Systemy kanalizacji deszczowej (tj. sieci i obiekty specjalne) projektuje się zwykle na 50-100 lat. Właściwe jest więc uwzględnienie prognozowanych zmian klimatu w horyzoncie czasowym 2100 r. [1-3]. Przewiduje się bowiem, że deszcze o obecnej intensywności będą w przyszłości występowały nawet dwukrotnie częściej, a obecne przepływy „100-letnie” w rzekach będą w przyszłości pojawiały się częściej niż raz na 50 lat. Bezpieczne wymiarowanie odwodnień terenów definiuje się jako przystosowanie systemów do przyjęcia maksymalnych (prognozowanych) strumieni ścieków/wód opadowych z częstością równą dopuszczalnej (akceptowanej społecznie) częstości wystąpienia wylania na powierzchnię terenu [2]. Odnośnie do europejskich standardów wymiarowania systemów kanalizacji deszczowej historycznie pierwowzorem Polskiej Normy [4], zharmonizowanej z normą europejską, była norma EN 752 z 1996 r. Zalecane wówczas częstości deszczu obliczeniowego (C) do wymiarowania kanalizacji deszczowej, w zależności od standardu odwodnienia terenu, podano w tab. 1.

Tab. 1. Zalecane częstości deszczu obliczeniowego do wymiarowania kanalizacji deszczowej i dopuszczalne częstości wylewów z kanałów wg EN 752:1996 i normy [4]

Nieznacznie zmienione zalecenia do wymiarowania kanalizacji deszczowej w drugiej wersji normy [5] i w kolejnej jej nowelizacji z 2017 r. [6] podano w tab. 2. Cytowane normy [4, 5, 6] zalecają w szczególności częstości projektowe deszczu obliczeniowego: C = 1 rok – dla terenów pozamiejskich (wiejskich), oraz C = 2, 5 lub 10 lat – dla terenów miejskich, w zależności od rodzaju zagospodarowania terenu (tab. 1 i 2). Najnowsza wersja normy PN-EN 752:2017 [6] przewiduje już możliwość przyjmowania większych, niż podane w tab. 1 i 2, częstości projektowych deszczu obliczeniowego (C). Podobne częstości projektowe opadów zalecane do projektowania odwodnień dróg wg rozporządzenia [7] podano w tab. 3.

Biorąc pod uwagę przewidywany wzrost częstości występowania intensywnych opadów w przyszłości, do wymiarowania odwodnień terenów (zwłaszcza głównych kanałów przy braku możliwości modelowania przeciążeń – nadpiętrzeń i wylewów) celowe jest już obecnie przyjmowanie większych częstości deszczu obliczeniowego niż zalecane dotychczas w standardach projektowych norm [4, 5, 6] i rozporządzeniu [7] (tab. 1,2 i 3), wg propozycji podanej w tab. 4. Podobne zalecenia do wymiarowania systemów odwodnieniowych, w tym do sprawdzania niezawodności ich działania (z uwzględnieniem kryterium nadpiętrzeń w kanałach), są już stosowane w Belgii (Flandria) [8] czy w Niemczech (Nadrenia Północna-Westfalia) [9]. Pozwoli to prawdopodobnie na zachowanie także w przyszłości obecnie dopuszczalnych częstości występowania zagrożeń wylewami z kanałów [1,2, 8, 9].

Odnośnie do dopuszczalnej częstość wylewów z kanalizacji normy [4 i 5] ograniczały to zagrożenie do rzadkich częstości (C) występowania, w dostosowaniu do czterech rodzajów zagospodarowania przestrzennego terenów zurbanizowanych (tab. 1 i 2). Najnowsza wersja normy [6] różnicuje już dopuszczalną częstość wylewów z kanałów w siedmiostopniowej skali wpływu zagrożenia na środowisko (tab. 5), tj. dla przykładowo zdefiniowanych lokalizacji terenów. Jednocześnie zastrzega, że podane w tab.5 wartości dopuszczalnych częstości wylewów mogą być zarówno podwyższane „w przypadku szybko przemieszczających się wód powodziowych”, jak również obniżane „w przypadku przebudowy istniejących systemów, gdy osiągnięcie tych samych kryteriów projektowych dla nowych systemów pociąga za sobą zbyt wysokie koszty” [6]. Ta druga możliwość jest dyskusyjna wobec prognozowanego wzrostu częstości występowania intensywnych opadów w przyszłości [1-3, 8, 9]. Ponieważ norma nie jest aktem prawnym (wg ustawy o normalizacji z 2002 r.), zalecenia normatywne należy traktować jako wskazówki do autorskich projektów [2].

Polecamy też: Problemy konstrukcyjne zastosowania kanalizacyjnej studzienki rewizyjnej

Tab. 5. Przykładowe kryteria oceny zagrożeń oraz dopuszczalne częstości wylewów z kanałów i podtopień terenów [6]

Bilansowanie spływu wód opadowych

Do wymiarowania systemów kanalizacji deszczowej w Polsce zalecana jest obecnie metoda maksymalnych natężeń (MMN) – z polskimi modelami opadów maksymalnych, typu DDF (Depth-Duration Frequency) bądź IDF (Intensity-Duration Frequency) [1,2].

Metoda ta wzorowana jest na najnowszej metodzie współczynnika opóźnienia (MWO) stosowej w Niemczech, wg zaleceń DWA (Deutsche Vereinigung fur Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V – Niemieckie Stowarzyszenie Gospodarki Wodnej, Ściekowej i Odpadowej) [10]. Obie metody należą do grupy „bezpiecznych metod czasu przepływu”, gdzie się uzależnia opóźnienie (redukcję) spływu powierzchniowego jedynie od rzeczywistego czasu trwania deszczu (t_d) – równego czasowi przepływu ścieków w kanałach (t_p) [2, 10]. Stwierdzono bowiem, że miarodajne do projektowania systemów odwodnień terenów maksymalne natężenia, zwykle krótkotrwałych deszczów (o czasie trwania do 2 godzin), występują z reguły w okresach długotrwałych zjawisk opadowych (trwających nawet kilka dni). Wówczas ze względu na bezpieczeństwo działania systemów kanalizacji deszczowej nie uwzględnia się czasów trwania koncentracji terenowej i retencji kanałowej.

Miarodajny do wymiarowania systemów kanalizacji deszczowej strumień objętości wód opadowych Q_md [dm³/s], wg MMN, oblicza się ze wzoru [2]:

Q_md = q_max (t_d, C) • Ψ_s • F          (1)

gdzie: q_max (t_d, C) – maksymalne natężenie jednostkowe deszczu dla czasu trwania t_d (równego czasowi przepływu t_p) i częstości występowania C [dm³/(s•ha)]; Ψ_s – szczytowy współczynnik spływu wód deszczowych, zależny od stopnia uszczelnienia powierzchni Ψ, spadków terenu i_t i częstości deszczu C; F – powierzchnia zlewni deszczowej [ha].

W wymiarowaniu kanalizacji deszczowej oblicza się najpierw zastępczy, średni ważony współczynnik spływu (Ψ) – utożsamiany ze stopniem uszczelnienia powierzchni zlewni. Następnie ustala się wartość szczytowego współczynnika spływu (Ψ_s) – przy uwzględnieniu wpływu spadków terenu i przyjętej częstości deszczu obliczeniowego – na podstawie tab. 6 [2, 10]. Przykładowo dla Ψ = 0,35 = 35% przy 1% < i_t ≤ 4% oraz C = 2 lata, interpolując liniowo ustalono (z tab. 6) Ψ_s = 0,43.

prof. dr hab. inż. Andrzej Kotowski

Katedra Wodociągów i Kanalizacji

Wydział Inżynierii Środowiska PWr.

Literatura

1. A. Kotowski, Wyzwania wywołane zmianami klimatu w projektowaniu systemów odwodnień terenów w Polsce, „Inżynier Budownictwa” nr 3/2013.
2. A. Kotowski, Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnień terenów. Sieci kanalizacyjne (t. I); Obiekty specjalne (t. II), Wyd. Seidel-Przywecki, Warszawa 2011 (wyd. I), 2015 (wyd. II).
3. IPCC: Impacts, Adaptation and Vulnerability, Panel on Climate Change, Cambridge University Press, 2014.
4. PN-EN 752:2000/2001 Zewnętrzne systemy kanalizacyjne.
5. PN-EN 752:2008 Drain and sewer systems outside buildings.
6. PN-EN 752:2017 Drain and sewer systems outside buildings – Sewer system management.
7. Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie (Dz.U. z 1999 r. Nr 43, poz. 430).
8. P. Willems, Revision of urban drainage design rules based on extrapolation of design rainfall statistics, Proc. 12th Internat. Conf. on Urban Drainage, Porto Alegre, 2011.
9. Merkblatt Nr 4.3/3: Bemessung von Misch- und Regenwasserkanalen. Teil 1: Klimawandel und móglicher Anpassungsbedarf, Bayerischen Landesamtes fur Umwelt, 2009.
10. DWA-A118:2006 Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwasserungssyste- men, DWA, Hennef 2006.
11. A. Kotowski, B. Kaźmierczak, A. Dancewicz, Modelowanie opadów do wymiarowania kanalizacji, Wyd. KILiW PAN, Warszawa 2010.
12. P. Licznar, K. Siekanowicz-Grochowina, M. Oktawiec, A. Kotowski, E. Burszta-Adamiak, Empiryczna weryfikacja formuły Błaszczyka do obliczania wartości natężenia deszczu miarodajnego, „Ochrona Środowiska” nr 2/2018.
13. E. Bogdanowicz, J. Stachy, Maksymalne opady deszczu w Polsce. Charakterystyki projektowe, Wyd. IMGW, seria: Hydrologia i Oceanologia nr 23, Warszawa 1998.
14. P. Licznar, E. Burszta-Adamiak, A. Kotowski, K. Siekanowicz-Grochowina, M. Oktawiec, Empiryczna weryfikacja modelu Bogdanowicz-Stachy do obliczania wartości natężenia deszczu miarodajnego, „Ochrona Środowiska” nr 3/2018.

Czytaj także: Czy można ponownie wykorzystać oczyszczone ścieki szare w budynku i jego otoczeniu?