Kanalizacja deszczowa a intensywność opadów.

Kanalizacja deszczowa - projektowanie z uwzględnieniem intensywności opadów

Aby kanalizacja deszczowa spełniała swoją rolę musi być zaprojektowana z wykorzystaniem współczesnych modeli opadów maksymalnych.

Kanalizacja deszczowa zgodnie z aktualnymi parabolistycznymi modelami opadów

Dotychczas stosowana formuła na natężenie deszczów, oparta na danych opadowych z przełomu XIX i XX w., zaniża obecne natężenia opadów projektowych średnio o 40% we Wrocławiu (dla danych z lat 1960-2009) [11] oraz średnio o 36% w Warszawie i o 33% na terenie całego kraju (dla danych z lat 1986-2015) [12]. Nie może być więc nadal stosowana, gdyż wymagałaby „sztucznej” korekty częstości opadów [2], [11]. W pracy [2] postuluje się, aby do czasu opracowania i upowszechnienia Polskiego Atlasu Natężeń Deszczów (PANDa) - na wzór atlasu KOSTRA (Koordinierte Starkniederschlagsregionalisierung - Auswertung) w Niemczech - stosować do metody maksymalnych natężeń (MMN) współczesne modele opadów maksymalnych. Częstości projektowe opadów powinny być już obecnie podwyższane względem standardów [4-7], np. w granicach zaproponowanych w tab. 4, ze względu na zmiany klimatu w przyszłości.

Na przykład we Wrocławiu stosować można lokalny, probabilistyczny model opadów maksymalnych GED (oparty na pomiarach z lat 1960-2009 [11]), dla zakresów: td e[5; 4320] minut i C e[1; 100] lat, o postaci IDF [2]

wzór 2

gdzie: qmax - maksymalne jednostkowe natężenie deszczu [dm3/(s-ha)]; td - czas trwania deszczu [min]; C - częstość (powtarzalność występowania) deszczu [lata].

Na terenie całego kraju można natomiast stosować regionalny, probabilistyczny model opadów maksymalnych Bogdanowicz-Stachy (oparty na pomiarach z lat 1960-1990 [13]), dla zakresów: td ∈[5; 4320] minut i C ∈[2; 100] lat, o postaci IDF [2]:

wzór 3

gdzie: α(R, td) - parametr (skali) zależny od regionu Polski (Ri) i czasu (td) trwania deszczu [2, 13].

Model opadów maksymalnych Bogdanowicz - Stachy (3) nie obejmuje obszarów podgórskich i górskich. Nie może być też stosowany dla częstości deszczy pojawiających się raz na rok (C = 1), wg [1,2, 11, 14].

Kanalizacja deszczowa - dobór średnicy i spadków

Uwzględniając prognozowany wzrost intensywności opadów w przyszłości, jako minimalną średnicę kanałów deszczowych, w miastach zaleca się obecnie przyjmować Dmin = 0,40 m, a tylko w uzasadnionych przypadkach stosować można D = 0,30 m

– na początkowych odcinkach sieci i przy znacznych spadkach terenu, na podstawie symulacji komputerowych dla przyszłych
obciążeń opadami wg podręcznika [2].

Kanały deszczowe należy dobierać na niecałkowite wypełnienie, tj. maksymalnie do 90% przepustowości całkowitej (Qo) danego przekroju (np. średnicy D) kanału, wg zaleceń DWA-A118 z 2006 r. [10], czyli do względnego wypełnienia: h/D < 0,75 - dla kanałów o przekroju kołowym (o średnicy D); h/H < 0,79 - dla kanałów jajowych (o wysokości przekroju H = 1,5B) oraz h/H < 0,72 - dla kanałów dzwonowych (o wysokości przekroju H = 0,85B, gdzie B oznacza szerokość przekroju w tzw. pachach).

Minimalne spadki dna kanałów deszczowych można określać ze znanej formuły: imin = 1/D (imin [‰] dla D [m]). Przykładowo dla Dmin = 0,40 m, imin = 1/0,40 = 2,5‰, przy czym dla D > 1,0 m, imin = 1,0‰.

Jednakże dla małych względnych wypełnień, h/D < 0,3, powinny być one większe niż obliczane z formuły 1/D, głównie ze względu na warunki transportu zawiesin mineralnych. Z punktu widzenia hydromechaniki transport zanieczyszczeń w kanałach deszczowych można zapewnić, jeżeli opór tarcia wyrażony stycznymi naprężeniami ścinającymi będzie większy od τmin = 1,5 Pa.

Wówczas wzór na imin ma postać [2]:

wzór 4

gdzie: D - średnica (wewnętrzna) kanału ściekowego [m]; Rhn - promień hydrauliczny przy częściowym wypełnieniu kanału [m]; Rh - promień hydrauliczny przy całkowitym wypełnieniu kanału (Rh = D/4) [m].

Dla przykładu: dla kanału deszczowego o średnicy Dmin = 0,40 m, z formuły 1/D spadek minimalny wynosi imin = 2,5‰

Z obliczeń wg wzoru (4) otrzymamy: dla h/D = 10% imin = 6,0‰; dla h/D = 20% imin = 3,2‰; a dla h/D = 30% imin = 2,2‰.

Tak obliczone spadki dla względnych wypełnień h/D < 0,3 gwarantują samooczyszczanie się kanałów deszczowych.

Są też większe od obliczonych z warunku zachowania prędkości minimalnej Vmin = 0,8 m/s - przy całkowitym wypełnieniu, gdyż wówczas dla Dmin = 0,40 m, imin= 2,3‰.

Maksymalne spadki dna kanałów deszczowych powinny wynikać z warunku nieprzekraczania prędkości Vmax = 5,0 m/s - przy całkowitym wypełnieniu kanału.

Przykładowo dla Dmin = 0,40 m, imax = 90‰ . Szczegółowe zasady obliczeń podane są w podręczniku [2].

Powyższa treść jest kontynuacją pierwszej części zamieszczonej w "Inżynier budownictwa".

Podsumowanie dwóch części artykułu:

Zaprezentowano ewolucje europejskich standardów projektowania systemów odwodnień terenów zurbanizowanych: PN-EN 752:2000/2001, PN-EN 752:2008 i PN-EN 752:2017, z uwzględnieniem rozporządzenia MTiGM z 1999 r. (dotyczącego odwadniania dróg), oraz dokonano ich interpretacji. Ponieważ grawitacyjne systemy kanalizacji deszczowej projektowane są zwykle na perspektywę 50-100 lat, właściwe jest uwzględnianie zagrożeń wynikających z prognozowanych zmian klimatu w horyzoncie czasowym roku 2100. Dotyczy to zwłaszcza zagrożeń wynikających ze wzrostu intensywności i częstości występowania ekstremalnych opadów w przyszłości.

Na tych podstawach do wymiarowania kanalizacji deszczowej zalecono metodę maksymalnych natężeń (MMN) jako bezpieczną metodę bilansowania strumieni wód opadowych. Do czasu opracowania i upowszechnienia Polskiego Atlasu Natężeń Deszczów (PANDa) - na wzór atlasu KOSTRA w Niemczech - należy do MMN stosować współczesne, probabilistyczne modele opadów maksymalnych (lokalne i regionalne). Trzeba też przy tym przyjmować większe częstości opadów projektowych niż zalecane w dotychczasowych standardach projektowych (PN-EN 752:2000/2001, PN-EN 752:2008 i PN-EN 752:2017 oraz MTiGM z 1999 r,), co pozwoli prawdopodobnie na zachowanie także w przyszłości obecnie dopuszczalnych częstości zagrożeń wylewami z kanałów.

prof. dr hab. inż. Andrzej Kotowski

Katedra Wodociągów i Kanalizacji

Wydział Inżynierii Środowiska PWr.

Literatura

A. Kotowski, Wyzwania wywołane zmianami klimatu w projektowaniu systemów odwodnień terenów w Polsce, „Inżynier Budownictwa” nr 3/2013.
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).
IPCC: Impacts, Adaptation and Vulnerabi- lity, Panel on Climate Change, Cambridge University Press, 2014.
PN-EN 752:2000/2001 Zewnętrzne systemy kanalizacyjne.
PN-EN 752:2008 Drain and sewer systems outside buildings.
PN-EN 752:2017 Drain and sewer systems outside buildings - Sewer system mana- gement.
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).
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.
Merkblatt Nr 4.3/3: Bemessung von Misch- und Regenwasserkanalen. Teil 1: Klima- wandel und móglicher Anpassungsbedarf, Bayerischen Landesamtes fur Umwelt, 2009.
DWA-A118:2006 Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwasserungssyste- men, DWA, Hennef 2006.
A. Kotowski, B. Kaźmierczak, A. Dancewicz, Modelowanie opadów do wymiarowania kanalizacji, Wyd. KILiW PAN, Warszawa 2010.
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.
E. Bogdanowicz, J. Stachy, Maksymalne opady deszczu w Polsce. Charakterystyki projektowe, Wyd. IMGW, seria: Hydrologia i Oceanologia nr 23, Warszawa 1998.
P Licznar, E. Burszta-Adamiak, A. Kotowski, K. Siekanowicz-Grochowina, M. Oktawiec, Empiryczna weryfikacja modelu Bogda- nowicz-Stachy do obliczania wartości natężenia deszczu miarodajnego, „Ochrona Środowiska” nr 3/2018.