Wyzwania wywołane zmianami klimatu w projektowaniu systemów odwodnień terenów w Polsce

Obecny stan prawny nakłada na projektantów obiektów budowlanych obowiązek bezpiecznego ich projektowania – zgodnie z najnowszą dostępną wiedzą (BAT). Idea ta znajduje zastosowanie do obecnych zasad wymiarowania kanalizacji przez uwzględnienie skutków prognozowanych zmian klimatu w przyszłości. Wykorzystano m.in. propozycje niemieckiego Stowarzyszenia Gospodarki Wodnej, Ściekowej i Odpadowej (DWA) odnośnie do metodyki badania przeciążeń sieci kanalizacyjnych, zgodnie z postulatem Europejskiego Komitetu Normalizacji (CEN) ujednolicenia poziomu wymagań w tym zakresie.

W ostatnich dziesięcioleciach obserwuje się ocieplenie klimatu, chociaż nie ma pełnej zgody co do przyczyn tego zjawiska. Wzrost średniej rocznej temperatury globu wywołuje zwiększoną cyrkulację wody w cyklu hydrologicznym i nasilenie się ekstremalnych zjawisk pogodowych (powodzie, trąby powietrzne). Z powodu zmian klimatycznych będzie się zmieniać wysokość opadów regionalnych i lokalnych. Stąd też w przyszłości wystąpi więcej zdarzeń ekstremalnych opadów, które mogą powodować szkody na obszarach zurbanizowanych (wylewy z kanałów, powodzie) [1]. Kwantyfikacja problemu, jak również odpowiednie działania zaradcze, w celu zminimalizowania negatywnych skutków takich zdarzeń, są więc już dziś pilnie potrzebne, ponieważ budowane obecnie systemy kanalizacyjne powinny sprawdzać się w działaniu w horyzoncie czasowym 2100 r.

Rys. Średnie roczne wysokości opadów [mm] w Polsce w latach 1971–2000

Niezawodność i bezpieczeństwo działania systemów odwodnień terenów (sieci i obiektów) nie są w pełni możliwe do osiągnięcia ze względu na losowy charakter opadów [2]. Dążyć należy zatem do bezpiecznego ich wymiarowania, tj. osiągnięcia współcześnie wymaganego standardu odwodnienia terenów zurbanizowanych wg PN-EN 752:2008 [3], przy uwzględnieniu skutków zmian klimatu w przyszłości. Zapewnienie odpowiedniego standardu wymaga dostosowania systemu kanalizacyjnego do przyjęcia maksymalnych prognozowanych strumieni wód opadowych, o częstości występowania równej dopuszczalnej częstości wystąpienia wylania na powierzchnię terenu (tab. 1).

Do wymiarowania systemów kanalizacji deszczowej i ogólnospławnej w Polsce stosowano najczęściej metody obliczeniowe: stałych natężeń (dla zlewni do 50 ha) i granicznych natężeń (MGN) [2]. Obie metody wykorzystują wzór Błaszczyka z 1954 r., który oparty został na deszczach zarejestrowanych w Warszawie na przełomie XIX i XX w. Wzór ten zaniża wartości maksymalnego natężenia deszczu o ok. 40%, co wykazano m.in. w pracy [4] na przykładzie opadów zmierzonych we Wrocławiu z lat 1960–2009. Ponadto założenia wyjściowe obu metod odnośnie do retencji kanałowej i terenowej obniżają strumień spływu wód opadowych w stosunku do metody współczynnika opóźnienia (MWO), stosowanej w  Niemczech. Ma to negatywne skutki przy weryfikacji dopuszczanych normą PN-EN 752:2008 częstości wylewów z kanałów, co wykazano m.in. w pracach [2, 5]. Do wymiarowania systemów kanalizacyjnych w Polsce zalecana jest obecnie MWO pod nazwą metoda maksymalnych natężeń (MMN) z polskimi modelami opadów maksymalnych z okresów pomiarowych 1960–1990–2009 [2].

Przyjmowanie częstości deszczu projektowego odpowiada dotychczasowej koncepcji wymiarowania systemów odwodnień terenów w Europie [2–8]. Wymiarowany przekrój rozpatrywanego kanału należy dobierać tak, aby jego przepustowość całkowita była większa od odpływu obliczeniowego. U podstaw tej zasady leży domniemanie, że dla przyjętych częstości deszczu, przy całkowitym wypełnieniu kanału, dopuszczane normą PN-EN 752:2008 częstości wylania nie zostaną przekroczone (tab. 1). Jednak związku między częstością deszczu projektowego a wynikowymi wielkościami obciążenia danego systemu nie da się uogólnić, ponieważ hydrauliczny opis przepływu w kanałach jest nieliniowy. Po osiągnięciu całkowitego wypełnienia kanałów i przy dalszym wzroście spiętrzenia ścieków do poziomu terenu możliwy jest wzrost ich przepustowości. Po wystąpieniu ścieków z kanalizacji stan wylania nie zachodzi bezpośrednio i nieuchronnie. Zależy to głównie od lokalnych uwarunkowań na powierzchni terenu (wysokości krawężników, położenia posesji w stosunku do rzędnej nawierzchni ulicy itp.). Przez to nie jest możliwe ustalenie zależności między częstością deszczu obliczeniowego i częstością wylania, zwłaszcza na etapie projektowania kanalizacji. Pomocne mogą być tutaj zalecenia niemieckie – DWA-A118:2006 – tab. 2 [6], wprowadzające pojęcie częstości nadpiętrzenia do poziomu terenudo obliczeń sprawdzających działanie kanalizacji za pomocą modelowania hydrodynamicznego. W pośredni sposób wyznaczyć można wówczas stan przeciążenia, który jest najbliższy występującemu w dalszej kolejności wylaniu.

Poważne skutki wylewów na przykład na terenach zamieszkanych wystąpią wówczas, gdy woda przekroczy poziom krawężników ulic i wtargnie na tereny przyległych posesji i do piwnic budynków [8].

Tab. 1 Zalecane częstości projektowe deszczu i dopuszczalne częstości wystąpienia wylania wg [3]

Prognozowane scenariusze opadów w przyszłości

Odnośnie do intensywnych opadów, przyjmowanych obecnie za kryterialne do projektowania odwodnień terenów wg obecnych standardów PN-EN 752:2008 i DWA-A118:2006 (tab. 1 i 2), przewiduje się wzrost częstości ich występowania w przyszłości [9–14]. Podstawą oceny przyszłych zagrożeń jest wybór odpowiednich scenariuszy opadów, opisujących zmiany obecnych wzorców (IDF bądź DDF), spowodowane przez zmiany klimatu. Według [9] regionalne modele klimatyczne, oparte na globalnych modelach klimatu, nie nadają się bezpośrednio do symulacji działania systemów odwadniających w przyszłości, dotyczą bowiem opadów o czasie trwania 60 min, występujących na pojedynczych obszarach rastrowych o powierzchni rzędu 100–300 km². Nie można na tej podstawie wyprowadzać wniosków co do intensywności krócej trwających opadów i na mniejszej przestrzeni. W celu zniwelowania luki między skalą regionalnych modeli klimatycznych i lokalnych – dotyczących miejskich sieci odwadniających – stosowane są najczęściej statystyczne metody zmniejszania rozdzielczości opadów [10]. Metody te nie dają jednak pewności co do wyniku wpływu zmian klimatu w dłuższym horyzoncie czasowym ≥ 50 lat [11].

Obecne związki intensywności (IDF) czy wysokości (DDF) opadów deszczu z czasem trwania i częstością występowania, opracowane dla wielu regionów geograficznych Europy, są zbliżone do siebie jakościowo. Nie znaczy to wcale, że są one identyczne ilościowo, zwłaszcza w skali lokalnej. O reżimie opadowym określonego obszaru decyduje wiele uwarunkowań środowiskowych, takich jak: ukształtowanie powierzchni i wzniesienie nad poziomem morza, pokrycie i sposób użytkowania terenu. Intensywne opady występujące w warunkach polskich (tab. 3) nie różnią się znacząco pod względem wysokości (zwłaszcza dobowe) od notowanych w krajach ościennych, podobnie jak opady we Wrocławiu w porównaniu do Warszawy [4].

Tab. 2 Zalecane częstości nadpiętrzeń do poziomu terenu dla  nowo projektowanych bądź modernizowanych systemów kanalizacyjnych wg [6]

W skali kraju czy też regionów geograficznych Polski izohiety wysokości opadów mają najczęściej w miarę regularny przebieg (rys.), podczas gdy w odwzorowaniach wykonanych dla małych obszarów (np. aglomeracji) przebiegi izolinii stają się bardziej zawiłe, im większa jest gęstość sieci pomiarowej. W zależności od skali odwzorowania wzrasta więc dokładność i praktyczna przydatność otrzymywanych informacji o opadach do celów projektowych. Przykładowo dla zachodnich dzielnic Wrocławia sformułowano probabilistyczny model (z okresu obserwacji 1960–2009) na maksymalną wysokość opadów (h w mm), dla czasu trwania t ∈[5; 4320] minut i prawdopodobieństwa wystąpienia p = 1/C ∈[1; 0,01], postaci [4]:

(1)

Biorąc pod uwagę obecną wiedzę na temat zmian klimatu do 2100 r., dostosowanie typowych opadów projektowych do wymiarowania odwodnień terenów (tab. 1 i 2) można dokonać przez korektę ich intensywności– lokalnych krzywych IDF (czy DDF) o obecnych częstościach występowania – lub zmieniając częstości występowania współczesnych opadów projektowych. Oznaczałoby to, że przy tzw. wysokim scenariuszu zmian klimatu, wg [10], dzisiejsze intensywności opadów należałoby zwiększyć o ok. 20% dla C = 1 rok, do ok. 50% dla C = 10 lat lub też częstości występowania obecnych opadów należałoby zredukować prawie dwa razy. Na tej podstawie opracowano wytyczne do identyfikacji przyszłych przeciążeń hydraulicznych w systemach kanalizacyjnych Flandrii w Belgii [10].  Podobne tendencje stwierdzono w innych regionach Europy [12, 13]. W [13] zaproponowano korektę częstości opadów projektowych przyjmowanych do weryfikacji nadpiętrzeń i wylewów w Niemczech wg standardów [6, 3]. Na przykład dla terenów zamieszkanych ustalono scenariusz opadów C = 5 lat zamiast C = 3 lata do weryfikacji występowania przyszłych nadpiętrzeń oraz dodatkowo scenariusz opadów ekstremalnych o C = 100 lat dla zapewnienia wymaganej obecnie dopuszczalnej częstości wylewów raz na 20 lat [13]. Na tej podstawie Bawarski Krajowy Urząd ds. Środowiska (LFU) wydał zalecenie [14] odnośnie do częstości opadów do identyfikacji przeciążeń kanalizacji deszczowej i ogólnospławnej w Nadrenii Północnej-Westfalii (tab. 4).

Tab. 3 Maksymalne wysokości opadów (w mm) w wybranych krajach Europy na tle Wrocławia (Strachowice)  i Warszawy (Bielany) [4]

Tab. 4 Zalecane scenariusze opadów o większych częstościach występowania jako skutek zmian klimatu do identyfikacji przeciążeń kanalizacji w Nadrenii Północnej-Westfalii [13, 14]

W istniejących modernizowanych czy nowo projektowanych systemach kanalizacyjnych zaleca się obecnie weryfikację przepustowości hydraulicznej kanałów i obiektów, w tym nadpiętrzeń do poziomu terenu i wylewów, na drodze modelowania hydrodynamicznegoprzy różnych scenariuszach obciążenia zlewni opadami stacjonarnymi lub niestacjonarnymi, zmiennymi w czasie i przestrzeni. Scenariuszami tymi są najczęściej opady modelowe, tworzone z lokalnych krzywych intensywności (IDF) lub wysokości (DDF) opadów deszczu, lub rzeczywiste serie intensywnych opadów z wielolecia, które są na ogół trudno dostępne [4]. Ideą opadów modelowych jest oddanie w sposób zbliżony do rzeczywistości przebiegu typowych opadów o zmiennej w czasie intensywności. Przykładem modelowego opadu deszczu jest model Eulera typu II, zalecany m.in. do symulacji działania kanalizacji w Niemczech [6] i obecnie w Polsce [2, 5]. Opad modelowy Eulera uznawany jest w przybliżeniu za odpowiadający rzeczywistym zmierzonym seriom opadów nawalnych w wieloleciu [8].

Modelowanie działania systemów kanalizacyjnych, zalecane normą PN-EN 752:2008, a nawet wymagane prawem – wg rozporządzenia Ministra Środowiska z 2006 r. – odnośnie do weryfikacji częstości działania przelewów burzowych jest w Polsce rzadko stosowane zarówno z braku niezbędnych danych (monitoringu sieci i opadów, GIS), jak i dostatecznych podstaw metodycznych.

Kryteria oceny przeciążeń sieci kanalizacyjnych

Pierwszym krokiem na drodze identyfikacji przeciążeń kanałów i obiektów powinna być symulacja działania istniejącego czy nowo projektowanego systemu odwodnienia odnośnie do nadpiętrzeń. Przykładowo dla zlewni w zabudowie mieszkaniowej, zgodnie z dotychczasowymi zaleceniami wg [6] (tab. 2), należało obciążyć kanalizację deszczem o częstości występowania C = 3 lata i czasie trwania co najmniej dwukrotnie przewyższającym czas przepływu w sieci (z badań symulacyjnych [5] wynika, że w warunkach hydrologicznych Wrocławia wydłużanie czasu trwania opadu modelowego do czterokrotnej wartości czasu przepływu powodować może istotny wzrost objętości wylewów z sieci). Obecnie zaleca się, aby symulacje dotyczyły przyszłych scenariuszy obciążenia kanalizacji.Dla zlewni mieszkaniowej są to dzisiejsze opady o C = 5 lat – do weryfikacji nadpiętrzeń – oraz dodatkowo o C = 100 lat – do zapewnienia dopuszczalnych częstości wylewów w przyszłości (tab. 4). Po dokonaniu oceny wyników takich symulacji może być stwierdzona potrzeba adaptacji systemu, zgodnie z oczekiwanymi zmianami wielkości spływu wód opadowych w przyszłości.

Parametrami kryterialnymi do wykazania konieczności dostosowania danego systemu odwodnienia do zmian klimatycznych mogą być: objętość właściwa wylewów, stopień zatopienia studzienek i stopień wykorzystania kanałów [9]. Objętość właściwa wylewów (OWW w m³/ha) dotyczy obliczonej objętości wylewów z kanałów (V w m³) na uszczelnionym obszarze danej zlewni (F w ha):

(2)

Stopień zatopienia studzienek (SZS) ujmuje stosunek liczby zalanych studzienek (N_z) do ogólnej liczby studzienek (N) danego systemu lub tylko powiązanych wzajemnie jego części:

(3)

Stopień wykorzystania kanałów (SWK) pozwala na ocenę średniego ważonego stopnia wykorzystania całej sieci danego systemu odwadniającego lub jego części:

(4)

 gdzie: Q_max – maksymalna obliczona wartość strumienia odpływu, m³/s; Q_proj – maksymalna projektowa wartość strumienia odpływu, m³/s; l – długość sieci kanalizacyjnej, m.

Wartości graniczne parametrów OWW, SZS i SWK powinny być ustalane indywidualnie dla danego systemu. W [9] omówiono wyniki analizy kryterialnych danych do oceny trzech systemów kanalizacyjnych w Nadrenii Północnej-Westfalii. Badane zlewnie znajdowały się wewnątrz obszarów miejskich lub centrów miast. Do symulacji nadpiętrzeń i wylewów jako obciążenie kanałów przyjęte zostały opady o częstości występowania C = 5 lat oraz opady ekstremalne o częstości C = 100 lat. Na tej podstawie określono wartości graniczne kryterialnych parametrów oceny: OWW >13 m³/ha, SZS > 0,3 oraz SWK > 1,1, jako wskazujące na wysoką potrzebę adaptacji badanych systemów kanalizacyjnych do skutków zmian klimatu.

Gdy zidentyfikowane zostaną lokalne przeciążenia systemu, konieczne są najczęściej dalsze analizy.Można tego dokonać na podstawie ocen GIS i in situ, a w przypadku stwierdzenia rozległych przeciążeń niezbędna staje się dodatkowa symulacja działania systemu w połączeniu z cyfrowym modelem terenu. Zalecane jest to zwłaszcza w przypadku, gdy co najmniej dwa kryterialne parametry (OWW i SZS lub SWK) wskazują na wysoką potrzebę adaptacji systemu. Umożliwia to m.in. zlokalizowanie obszarów zagrożonych w szczególny sposób oraz przygotowanie kroków do oceny ryzyka podatności [15].

Powyższe badania i analizy mają na celu umożliwienie dokonania racjonalnego wyboru środków zaradczych z uwzględnieniem kosztów wariantów zabezpieczeń (lub ewentualnych odszkodowań), tj. rozstrzygnięcie
dylematów typu: czy wybrać naturalne zagłębienia terenowe lub zalecić budowę zbiorników retencyjnych do przetrzymywania fali powodzi we wskazanych miejscach, czy też wytyczyć uprzywilejowane drogi spływu wód opadowych po powierzchni wybranych ulic, z ewentualnym zaleceniem podwyższenia krawężników lub budowy wałów przeciwpowodziowych (trwałych bądź zastawkowych) do kierowania fali powodziowej na wybrane tereny lub bezpośrednio do odbiorników. Przykładowo w Kanadzie na opady ekstremalne, które nie mieszczą się w kanałach (wymiarowanych na C = 1–25 lat), już od roku 1970 wymagane jest wyznaczanie dróg spływu powierzchniowego na deszcze o C = 100 lat [1].

© aigarsr – Fotolia.com

Podsumowanie

Nie jest możliwe obecnie i w przyszłości osiągnięcie w pełni niezawodnego działania kanalizacji deszczowej ze względu na losowy charakter opadów. Wylania z kanałów są więc nieuchronne nawet przy zastosowaniu właściwych metod ich wymiarowania i weryfikacji hydrodynamicznych. Chodzi więc o ograniczenie częstości występowania wylewów w przyszłości (do wymagań [3]), które jest do osiągnięcia jedynie w bezpiecznie zaprojektowanych sieciach kanalizacyjnych [2].

Wymiarując dzisiejsze kanały, powinniśmy więc uwzględniać prognozowane prawdopodobne scenariusze zmian klimatycznych w perspektywie 2100 r.

Dla bezpiecznego wymiarowania kanalizacji deszczowej w Polsce wg obecnych standardów [3 i 6], tj. dla częstości deszczy obliczeniowych C = 1, 2, 5 i 10 lat (tab. 1) i obecnych wzorców opadów maksymalnych (IDF i DDF), należy zmienić częstości deszczy do symulacji występowania nadpiętrzeń do poziomu terenu, przyjmowanych obecnie jako C = 2, 3, >5, >10 lat (tab. 2), tak aby odzwierciedlały one częstości nadpiętrzeń w przyszłości. Proponuje się mianowicie sprawdzać nadpiętrzenia na obecne deszcze o C = 3, 5, 10 (tab. 4, wg [13, 14]) oraz >20 lat (konsekwentnie, wg autora) odpowiednio do rodzaju zagospodarowania terenu zlewni. Zachowane zostaną wówczas prawdopodobnie dopuszczalne obecnie częstości wylewów C = 10, 20, 30, 50 lat (tab. 1) także w przyszłości. Ze względu na niepewność prognoz co do przyszłych opadów proponuje się dodatkowo sprawdzać sieci na obecne deszcze ekstremalne o C = 50, 100, 100 (tab. 4, wg [13, 14]) oraz >100 lat (wg autora), odpowiednio do rodzaju zagospodarowania terenu. Powyższe ustalenia są już zalecane do projektowania kanalizacji deszczowej i ogólnospławnej w wielu krajach Europy (Belgia, Niemcy, Szwecja). Niezbędne są jednak dalsze badania, w tym zwłaszcza dotyczące uprawdopodobnienia się scenariusza wysokiego wzrostu intensywności opadów w przyszłości.

prof. dr hab. inż. Andrzej Kotowski

kierownik Zakładu Naukowego Usuwania Ścieków w Instytucie Inżynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej

Literatura

1. W. Dąbrowski, B. Dąbrowska, Przewidywany wpływ zmian klimatu na dysfunkcję systemów odprowadzania ścieków, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 1/2012.

2. A. Kotowski, Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnień terenów, Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa 2011.

3. PN-EN 752:2008  Drain and sewer systems outside buildings, PKN, Warszawa 2008.

4. A. Kotowski, B. Kaźmierczak, A. Dancewicz, Modelowanie opadów do wymiarowania kanalizacji, Wydawnictwo Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN, Studia z zakresu Inżynierii nr 68, Warszawa 2010.

5. B. Kaźmierczak, A. Kotowski, Weryfikacja przepustowości kanalizacji deszczowej w modelowaniu hydrodynamicznym, Oficyna Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2012.

6. Arbeitsblatt DWA-A118:2006 Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwässerungssystemen, DWA, Hennef 1999 i 2006.

7. A. Berne, G. Delrieu, J.D. Creutin, C. Obled, Temporal and spatial resolution of rainfall measurements required for urban hydrology, „Journal of Hydrology“ vol. 299/2004.

8. T.G. Schmitt, Kommentar zum Arbeitsblatt A118 Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwässerungssystemen, DWA, Hennef 2000; Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa 2007.

9. M. Siekmann, J. Pinnekamp, Indicator based strategy to adapt urban drainage systems in regard to the consequences caused by climate change, 12th International Conference on Urban Drainage, Porto Alegre/Brazil, 2011.

10. P. Willems, Revision of urban drainage design rules based on extrapolation of design rainfall statistics, 12th International Conference on Urban Drainage, Porto Alegre/Brazil, 2011.

11. K. Arnbjerg-Nielsen, Quantification of climate change impacts on extreme precipitation used for design of sewer systems, 11th International Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, 2008.

12. A.N. Larsen, I.B. Gregorsen, O.B. Christensen, J.J. Linde, P.S. Mikkelsen, Potential future increase in extreme one-hour precipitation events over Europe due to climate change, „Water Science Technology” vol. 60/2009.

13. P. Staufer, G. Leckebusch, J. Pinnekamp, Die Ermittlung der relevanten Niederschlags-charakteristik für die Siedlungsentwässerung im Klimawandel, Korrespondenz Abwasser, Abfall Nr. 12/2010 (Jg. 57).

14. LFU, Bemessung von Misch- und Regenwasserkanälen. Teil 1: Klimawandel und möglicher Anpassungsbedarf. Referat 66 des Bayerischen Landesamtes für Umwelt, Merkblatt Nr. 4.3/3/2009.

15. T.G. Schmitt, Risikomanagement statt Sicherheitsversprechen, Korrespondenz Abwasser, Abfall, Nr. 1/2011 (Jg. 58).