Wody deszczowe w kontekście rozwoju terenów zurbanizowanych

W obliczu dziejących się na naszych oczach zmian klimatycznych oraz gwałtownego wzrostu liczby ludności stoimy przed nie lada wyzwaniem zaspokojenia jej podstawowych potrzeb, w tym zapewnienia bezpieczeństwa. Nieprzewidywalność warunków atmosferycznych powinna spowodować rewizję podejścia inżynierów do planowania konstrukcji budowlanych oraz zagospodarowania przestrzennego miast. Jednym z dokumentów opisujących aktualne zjawiska pogodowe jest raport IMGW-PIB, z którego wynika, że 2020 r. był ekstremalnie ciepłym okresem, obfitującym jednocześnie w gwałtowne deszcze. Ogólna ilość zeszłorocznych opadów była o 6% większa od przyjętej normy klimatologicznej [1]. Z jednej strony wzrost objętości wody deszczowej może cieszyć, z drugiej jednak dynamika opadów atmosferycznych uległa znacznemu przyśpieszeniu. W efekcie stoimy przed problemem ujarzmienia żywiołu, jakim jest nagły, duży spływ powierzchniowy. Dodatkowo, biorąc pod uwagę zwiększającą się konsumpcję wody przy jednoczesnym spadku jej dostępności, należy stosować na szeroką skalę metody retencjonowania oraz unikać generowania się spływu.

W Polsce na jednego mieszkańca przypada 1700 m³ wody rocznie – jest to najgorszy wynik w Europie [2]. Dbanie o zasoby wody oraz o ich regenerację przy grożących nam anomaliach pogodowych może stać się jednym z nadchodzących wyzwań. Mając na celu m.in. zwiększenie świadomości społecznej i inżynierskiej, w artykule przedstawimy podstawowe problemy urbanistyczne, które wpływają na obieg wody w przyrodzie.

Rys. 1. Obieg wody w przyrodzie. Opracowanie autorów na podstawie [4]

Działalność ludzka zaburza zarówno lokalny, jak i globalny obieg wody w przyrodzie. Zmiana koryt rzek, tworzenie sztucznych kanałów zmieniają destynacje spływu, ich ilość oraz jakość wody. Oddziałujemy w ten sposób na istniejący od zarania dziejów cykl hydrologiczny. Krążenie wody polega na jej naprzemiennym parowaniu do atmosfery i powrocie na Ziemię w postaci opadu, przy założeniu stałej ilości wody w hydrosferze [3].

Przedstawiony w dużym skrócie na rys. 1 proces trwa ok. 2 wieków, dlatego też dzisiejsze zaniedbania odczują dopiero kolejne pokolenia. Ze względu na długi okres regeneracji w przypadku kryzysu humanitarnego polegającego na wyczerpaniu/skażeniu źródeł wody nie będziemy w stanie go bezzwłocznie zażegnać. Jedną z podstawowych metod przeciwdziałania tej sytuacji jest przywrócenie możliwie zbliżonych warunków obiegu wody do tych spotykanych w przyrodzie. Mając na uwadze, że to właśnie opady atmosferyczne są głównym czynnikiem budulcowym zasobów wody pitnej, należy je magazynować i w miarę możliwości odprowadzać do gruntu w miejscu ich powstawania.

Na rys. 2 widać diametralną różnicę w rozkładzie infiltrowanej do gruntu wody w zależności od pokrycia i zabudowy terenu. Występujący deficyt wody jest i będzie powodowany wieloletnimi zaniedbaniami, które najwyższy czas zweryfikować.

Wody deszczowe. Rys. 2. Schemat rozkładu odpływu opadu atmosferycznego. Opracowanie autorów na podstawie [4]

Wody deszczowe w zabetonowanej miejskiej dżungli

Aktualnym trendem wśród urbanistów powinno być możliwie największe ograniczenie powstawania ścieków w wyniku deszczu. W przypadku braku możliwości zmniejszenia objętości wody kolejną kluczową sprawą jest spowolnienie spływu i wydłużenie czasu generowania odpływu. Rozpatrywanie problemu należy przeprowadzić od szczegółu (dzielnice) do ogółu (miasta), co umożliwi inżynierom modernizowanie systemów na bardziej efektywne. Nowoczesne podejście do tematu pozwala na magazynowanie i spowalnianie spływu wody.

W zabetonowanych miastach wody deszczowe słabo infiltrują w grunt. Fot. stock.adobe/DarSzach

Kluczowymi czynnikami generującymi duży i dynamiczny spływ powierzchniowy są sposób zagospodarowania przestrzennego oraz rodzaj nawierzchni pokrywającej powierzchnię. Ze względu na rozwój technologii, w tym ruchu kołowego, zaczęto szeroko stosować umocnienia drogowe oraz parkingi. Wraz z rozbudową infrastruktury drogowej powstał nowy cel kanalizacji – utrzymanie drożności korytarzy komunikacyjnych [5].

Rozbudowane centra miast o relatywnie małej powierzchni i rozwój przedmieść (najczęściej wyżej posadowionych) wpływają na charakter relacji opad–odpływ. Wiąże się to z likwidacją terenów biologicznie czynnych i rezerwuarów wody, co miało miejsce w Polsce zwłaszcza w dekadzie gierkowskiej. W efekcie dochodzi do zakłócenia naturalnych procesów, takich jak infiltracja, retencja, parowanie, przy jednoczesnym zwiększeniu współczynnika spływu Ψ.

Fot. 1. Przykład zastosowania geokraty do wzmocnienia nawierzchni parkingu [6]

Chcąc przeprowadzić analizę niejednorodnej zlewni, należy zsumować poszczególne jej powierzchnie z uwzględnieniem indywidualnego współczynnika spływu, co w praktyce jest bardzo trudne. Dodatkowo, raz obliczony współczynnik może być za rok lub dwa nieaktualny ze względu na zrealizowane inwestycje lub zmianę rzeźby terenu.

Z punktu widzenia inżynierii środowiska powinniśmy w miarę możliwości stosować powierzchnie przepuszczalne, o ile ma to sens ekonomiczny oraz użytkowy.

Dobrym rozwiązaniem jest wykorzystanie na miejscach parkingowych kostki typu meba i geokraty (fot. 1). Wykonanie ciągów komunikacyjnych ze żwiru lub kruszywa, co jest popularne w Skandynawii, prowadzi do minimalizacji powstawania spływu powierzchniowego.

Problematyka miejskiej wyspy ciepła

Postępująca, nieprzemyślana industrializacja oraz zła strategia usuwania terenów zielonych na rzecz uszczelnień placów i nadmiernie skupionej zabudowy powodują szereg skutków ubocznych. Stanowią one bezpośrednie zagrożenie dla zdrowia człowieka i znacznie obniżają komfort życia, tworząc efekt miejskiej wyspy ciepła (MWC). Jak podaje źródło [7], jest to zjawisko klimatyczne „polegające na występowaniu wyższej temperatury powietrza w mieście w porównaniu z terenami otaczającymi miasto”.

W konsekwencji niezrównoważonego rozwoju miast, ich centra stają się coraz bardziej rozgrzane oraz mają własny, niekorzystny mikroklimat. Stosowane materiały budowlane, takie jak asfaltobetony czy żelbetowe konstrukcje, akumulują energię cieplną w ciągu dnia i oddają ją podczas nocy. W ekstremalnych przypadkach różnica temperatury w nocy pomiędzy śródmieściem a obrzeżami miasta dochodzi do kilkunastu stopni.

Lokalnym przykładem tego zjawiska jest Warszawa, która w nocy charakteryzuje się amplitudą wynoszącą nawet 10^oC pomiędzy poszczególnymi dzielnicami (rys. 3). Zanieczyszczenie atmosfery miejskiej, promieniowanie odbite od powierzchni są w konsekwencji w większym stopniu pochłaniane, co powoduje lokalny efekt cieplarniany. Ponadto różnica poziomów między szczytem budynków a terenem uniemożliwia wymianę powietrza, co skutkuje brakiem dostarczenia świeżego, chłodnego powietrza (rys. 4).

Rys. 3. Różnice temperatur w poszczególnych dzielnicach Warszawy wywołane zjawiskiem miejskiej wyspy ciepła. Opracowanie autorów na podstawie [7],

Centra miast przepełnione są poza tym gęstą, wysoką zabudową, tworząc wręcz pionowe szklarnie, które pochłaniają gigantyczne ilości energii potrzebnej do ochłodzenia pomieszczeń, przyczyniając się ponownie do zanieczyszczenia powietrza.

Człowiek wystawiony na chroniczne działanie wysokich temperatur w centrach aglomeracji może być narażony na utratę zdrowia (nasilenie się chorób alergicznych, zwiększone ryzyko wystąpienia udarów, odwodnienia), a nawet życia [8]. Jak widać na przytoczonych przykładach, ograniczanie oraz przeciwdziałanie powstawaniu miejskich wysp ciepła przynosi wymierne korzyści nie tylko z punktu widzenia inżynierskiego, ale również zdrowotnego.

Przykłady podstawowych błędów w przestrzeni miejskiej

Niestety, w ostatnich czasach jesteśmy świadkami przeprowadzania szkodliwych zmian w aglomeracjach. Wiele polskich miast uległo trendowi uszczelniania wszelkich powierzchni. Modernizacje polegały na wycince drzew, usuwaniu trawników, sadzawek i innych biologicznie czynnych powierzchni.

Na fot. 2 pokazano zmiany niekorzystne z punktu widzenia gospodarowania wodami opadowymi. Plac w Skierniewicach został całkowicie uszczelniony kostką brukową przy jednoczesnym zlikwidowaniu terenów zielonych stanowiących powierzchnie biologicznie czynne, przez które wody deszczowe miałaby szansę infiltrować w grunt, regenerując tam swoje zasoby.

Fot. 2. Rynek w Skierniewicach w latach 70. XX w. oraz współcześnie [9]

Po przeprowadzeniu takiej „modernizacji” zamiast tętniącego życiem w cieplejsze dni rynku otrzymano nagrzany plac zniechęcający turystów. Tereny zielone charakteryzują się bowiem niższą temperaturą od otaczającej zabudowy, poprawiając komfort przebywania na zewnątrz. Inwestorzy argumentowali przeprowadzone zmiany oszczędnościami w utrzymaniu porządku, tj. brakiem podlewania, oraz zwiększeniem powierzchni kulturowej w mieście.

Wycinka drzew, a co za tym idzie niszczenie struktury korzeniowej, uniemożliwia zatrzymywanie wody opadowej w szacie roślinnej, np. na liściach, czy gruncie. Różnica powodowana przez drzewostan jest zależna od jego wysokości i rozpiętości gałęzi. Szacuje się, że szata roślinna dzięki intercepcji jest w stanie pochłonąć średnio 5 l/m² opadu. Niedocenianą zaletą jest również wyłapywanie porannej rosy, która osadza się na wszelkich biologicznie czynnych obszarach. W okresach suszy i braku opadu właśnie poranne odkładanie się wilgoci bywa jedynym źródłem wody przedostającej się do ziemi. Dodatkowo panująca od paru lat w Polsce koniunktura deweloperska oraz ciągle rosnące ceny terenów pod inwestycje determinują coraz gęstszą zabudowę, a także stawianie budynków na terenach do tego nieprzeznaczonych. Szybki zysk i potencjalne dochody wykonawców doprowadzają do osuszania terenów podmokłych, likwidowania torfowisk oraz skanalizowania cieków wodnych, co ma zdecydowanie negatywny wpływ na środowisko.

Rys. 4. Schemat cyrkulacji powietrza w aglomeracji. Opracowanie autorów na podstawie [8]

Problematyka i złożoność projektowania kanalizacji deszczowej na terenach zurbanizowanych

Wraz ze wzrostem średniej temperatury Ziemi obserwujemy coraz częstsze ekstremalne incydenty pogodowe. Aktualnie panuje spór o to, czy do takich efektów doprowadził człowiek, czy też jest to normalny cykl Ziemi. Niezależnie od wyniku tego sporu czeka nas nieunikniona konfrontacja z negatywnymi zmianami atmosferycznymi.

W opublikowanym na początku sierpnia 2021 r. raporcie Międzynarodowego Zespołu do spraw Zmian Klimatu ONZ wykazano, że średnia temperatura na Ziemi wzrosła o 1^oC oraz że „(…) każda z ubiegłych czterech dekad była cieplejsza niż wszystkie poprzedzające je dekady od 1850 roku” [10]. Poruszona w raporcie obserwowana zmiana temperatury ma mocną tendencję rosnącą, z którą ludzkość nie miała do tej pory styczności.

Nie tylko międzynarodowe badania wskazują na niepokojące zmiany klimatyczne. Jak donosi nasz rodzimy raport IMGW, temperatura powietrza na obszarze Polski od 1951 r. wzrosła o nieco więcej niż 2^oC.

W konsekwencji podwyższonych temperatur w kraju dochodzi do lokalnych deficytów wody w wyniku zwiększenia zjawiska parowania. Opady są coraz częściej obfite, destrukcyjne i w niewielkim stopniu generują infiltrację oraz regenerację zasobów.

Reakcją na zmianę klimatu jest nowy nurt w projektowaniu, który ma na celu zminimalizowanie zużywania wody przy jednoczesnym wykorzystaniu opadów atmosferycznych. Te idee tworzą trend WSUD (ang. Water Sensitive Urban Design).

Oprócz odpowiednich wytycznych i zaleceń na terenie Polski obowiązuje Ramowa Dyrektywa Wodna z dnia 23 października 2000 r. Jej zamysłem jest ochrona oraz dążenie do poprawnego stanu wszelkich zasobów wody w państwach członkowskich UE. Głównym celem tego aktu prawnego były możliwość wprowadzania nowych przepisów, wymiana doświadczeń, przywracanie dawnych terenów do ich naturalnego stanu [11].

Jednym ze sposobów na polepszenie istniejącej sytuacji jest wprowadzenie opłaty za zmniejszenie naturalnej retencji terenu, tzw. podatku od deszczu. Tak jak w USA, Włoszech czy Niemczech, regulacje te mają zobowiązać wszystkich obywateli do wzięcia odpowiedzialności za skutki suszy i zmniejszenie poziomu infiltracji. Oczywiście zaangażowanie obywatelskie jest ważne, natomiast organy państwowe na etapie uzgadniania projektowego i planowania mają obowiązek w szerszej perspektywie podjąć się rozwiązania tych problemów i zapobiegać im. Dobrą praktyką na etapie projektowym jest przeprowadzenie dogłębnej analizy oraz zapoznanie się z charakterystyką danego obiektu, co niestety wiąże się z kosztami. Nie każdego indywidualnego inwestora stać na takie wydatki, natomiast w przypadku PZP wskazane jest wygospodarowanie odpowiednich środków pozwalających na właściwą analizę problemu.

Dodatkowo ogólnikowy zarys przepisów aktualnie obowiązującego Prawa wodnego (Dz.U. z 2001 r. nr 115 poz. 1229) wskazuje jedynie trend, którym powinno się kierować, aby zapobiegać obniżeniu jakości i ilości wody. Zdaniem autorów artykułu: „Luki i niedomówienia w polskich regulacjach prawnych sprzyjają lekceważeniu problemów zagospodarowania wód opadowych. W skrajnych przypadkach występuje tu wręcz zaniechanie działań” [12]. Niestety, brak konkretnych wytycznych przy braku dobrej intencji autora nie da zamierzonych efektów.

>>> Gromadzenie deszczówki

>>> Cyfrowe projektowanie systemów odwodnień

>>> Wykorzystanie wody deszczowej

Perspektywa poprawy

Zwiększająca się świadomość zarówno inżynierów, jak i społeczeństwa związana z dbaniem o środowisko, w tym o wodę, napawa optymizmem. Pierwszym krokiem, który powinniśmy zrobić i na który mamy realny wpływ, jest zatrzymanie procesu tzw. betonozy w aglomeracjach dzięki budżetom obywatelskim oraz programom dotacyjnym związanym z deszczówką. Urozmaicone, zróżnicowane areały miejskie pozwalają na poprawienie obiegu wody oraz obniżają temperaturę powietrza w mieście, która staje się uporczywa w okresach letnich i stanowi zagrożenie. Warto obserwować bardziej rozwinięte kraje zachodnie, takie jak Szwecja i Norwegia, które dążą do neutralności klimatycznej.

Na zachodzie coraz częściej takie rozwiązania jak zielone dachy zamiast budzić zdziwienie, stają się powodem do dumy. Miejmy nadzieję, że i w naszym społeczeństwie doświadczymy tej pozytywnej zmiany nastawienia i nie każdy trawnik zamieni się w szczelny, wybrukowany ciąg pieszy.

W drugiej części artykułu:

METODY ODPROWADZANIA WÓD OPADOWYCH

Muldy podłużne
Rowy odwadniające
Rynny odwadniające
Krawężniki odwadniające
Wpusty deszczowe
METODY MINIMALIZOWANIA GENEROWANIA ŚCIEKÓW DESZCZOWYCH
Dachy zielone
Nawierzchnie umocnione, przepuszczalne
Skrzynki rozsączające
Komory drenażowe
Odwodnienie liniowe z funkcją retencyjną
SZANSA NA POPRAWĘ OBIEGU WODY

Druga część artykułu dostępna jest w numerze 11/2023 miesięcznika „Inżynier Budownictwa”.

mgr inż. Wiktor Rejek

Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska

prof. PG, dr hab. inż. Jakub Drewnowski

Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska

Artykuł powstał na podstawie pracy dyplomowej W. Rejka „Projekt koncepcyjny instalacji kanalizacyjnej deszczowej wraz z analizą kosztowo-eksploatacyjną dla rozwiązań odprowadzenia i zagospodarowania wód opadowych na przykładzie wybranego kompleksu sportowego”, praca magisterska, Politechnika Gdańska, 29 października 2021 r.

Literatura

1. 1. Z. Ustrnul, A. Wypych, E. Jakusik, D. Biernacik, D. Czekierda, A. Chodubska, Klimat Polski 2020, Warszawa 2021.
2. https://inzynieria.com/wodkan/wiadomosci/53036,jakie-sa-zasoby-wody-pitnej-na-swiecie (dostęp: marzec 2023 r.).
3. J. Królikowska, A. Królikowski, Wody opadowe, Lublin 2012.
4. Woda, las i natura, https://www.pl/rola-wody/mapa/01-obieg-wody (dostęp: marzec 2023 r.).
5. A. Kotowski, Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnień terenów, Lublin 2011.
6. https://www.istockphoto.com/pl/zdj%C4%99cie/geosiatka-stosowana-w-budowie-powierzchni-gruntu-ogrodowego-gm1339132076-419552213 (dostęp: marzec 2023 r.).
7. Miejska wyspa ciepła, Baza wiedzy o zmianach klimatu, https://klimada2.ios.gov.pl/miejskie-wyspy-ciepla (dostęp: marzec 2023 ).
8. Miejska wyspa ciepła w Warszawie, praca zbiorowa Polskiej Akademii Nauk, Instytutu Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania im. S. Leszczyckiego, Warszawa 2014.
9. J. Mencwel, https://twitter.com/janmencwel/status/1138445347246804992 (dostęp: marzec 2023 r.).
10. Climate change 2021 – The physical science basis, Szósty Raport Oceniający Międzyrządowego Zespołu Narodów Zjednoczonych, 2021.
11. Ramowa Dyrektywa Wodna – Plany gospodarowania wodami, https://www.gov.pl/nasze-dzialania/ramowa-dyrektywa-wodna-plany-gospodarowania-wodami (dostęp: marzec 2023 r.).
12. B. Szeląg, J. Drewnowski, M. Drewnowska, Wybrane aspekty projektowania kanalizacji deszczowej na terenach zurbanizowanych, „Przewodnik Projektanta” nr 4/2019.