Zalecenia metodyczne do obliczeń projektowych kanalizacji rozdzielczej

       1. Wprowadzenie

Znaczna część wybudowanych po II wojnie światowej w Polsce rozdzielczych  systemów kanalizacyjnych zwymiarowana została nieodpowiednimi obecnie metodami, co powoduje, że mogą one nie spełniać współczesnych, europejskich standardów, odnośnie dopuszczalnych częstości wylewów z kanałów, prowadzących do podtopień terenów i obiektów. Aktualny stan prawny nakłada na projektantów systemów odwodnieniowych obowiązek bezpiecznego ich projektowania i wymiarowania, tzn. zgodnie z najlepszą dostępną wiedzą techniczną (BAT – Best Available Techniques). Wynika stąd konieczność ciągłego doskonalenia metod i zasad wymiarowania kanalizacji ściekowej i deszczowej, co jest postulowane w pracy [1].

      Grawitacyjne systemy odwodnień na terenach zurbanizowanych projektuje się na perspektywę 50÷100 lat. Właściwe jest więc uwzględnienie prognozowanych zmian klimatu w horyzoncie czasowym 2100 roku [2]. Przewiduje się bowiem, że opady deszczowe o obecnej intensywności będą w przyszłości występowały około dwukrotnie częściej [3, 4, 5], a w tym np. obecne przepływy „100-letnie” w rzekach będą w przyszłości pojawiały się częściej niż raz na 50 lat [6].

       Bezpieczne wymiarowanie odwodnień terenów definiuje się jako przystosowanie systemu do przyjęcia maksymalnych (prognozowanych) strumieni ścieków/wód opadowych z częstością równą dopuszczalnej (akceptowalnej społecznie) częstości wystąpienia wylania na powierzchnię terenu. Według polskiej normy (zharmonizowanej z normą europejską) PN-EN 752 z 2008 roku [7], jak i jej nowelizacji z 2017 roku [8], zalecane obecnie częstości deszczu obliczeniowego (C) do wymiarowania systemów kanalizacji deszczowej (tj. sieci i obiektów specjalnych) zależą od standardu odwodnienia danego terenu zurbanizowanego (tab. 1).

Cytowane normy [7, 8] zalecają w szczególności częstości projektowe: 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). Nowa wersja normy PN-EN 752 z 2017 roku [8] przewiduje już możliwość przyjmowania większych, niż podane w tabeli 1, częstości projektowych deszczu obliczeniowego (C). Podkreślane jest zastrzeżenie, że dla danej częstości deszczu obliczeniowego nie może wystąpić działanie kanałów pod ciśnieniem, tj. z przeciążeniem, prowadzącym potencjalnie do wylewów.

      Podobne częstości projektowe opadów zalecane są do projektowania odwodnień różnych rodzajów dróg – wg Rozporządzenia Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z 1999 r.       (wg tab. 2) [9].

Biorąc pod uwagę przewidywany wzrost częstości występowania intensywnych opadów w przyszłości, do wymiarowania kanałów deszczowych (zwłaszcza głównych kolektorów), celowe jest już obecnie przyjmowanie większych częstości deszczu obliczeniowego (C), niż zalecane w obecnych standardach projektowych (PN-EN 752:2008:2017 i MTiGM:1999 – tab. 1 i 2), wg propozycji podanej w tabeli 3 [1]. Pozwoli to na zachowanie także w przyszłości, obecnie dopuszczalnych częstości występowania zagrożeń wylewami z kanałów [10, 11]. Podobne zalecenia do wymiarowania kanalizacji deszczowej są już stosowane w Belgii (Flandria) [5], czy w Niemczech (Nadrenia Północna – Westfalia) – wg Merkblatt Nr. 4.3/3 [12].

      Norma PN-EN 752 z 2008 r. [7] ogranicza dopuszczalną częstość wylewów z kanalizacji, czy też braku możliwości odbioru ścieków/wód opadowych, do rzadkich częstości (C) ich występowania w dostosowaniu do 4 rodzajów zagospodarowania przestrzennego terenów zurbanizowanych, tj.: od raz na 10 lat dla terenów wiejskich, do raz na 20, 30 lub 50 lat dla terenów miejskich (tab. 4).

Nowa norma PN-EN 752 z 2017 r. [8] proponuje rozróżnianie dopuszczalnej częstości wylewów z kanalizacji, w siedmiostopniowej skali wpływu zagrożenia na środowisko, tj. dla 7 zdefiniowanych przykładowych lokalizacji – zagospodarowania terenów (tab. 5) [8, 13].

Kryteria zagrożeń wylewami w normie PN-EN 752:2017 są świadomie sformułowane nieostro opisowo. Zastrzega się mianowicie, że podane w tab. 5 przykładowe wartości dopuszczalnych częstości zagrożeń wylewami mogą być zarówno podwyższane w przypadku szybko przemieszczających się wód powodziowych, ale także obniżane w przypadku przebudowy istniejących systemów, gdy osiągnięcie tych samych kryteriów projektowych dla nowych systemów pociąga za sobą zbyt wysokie koszty [8]. Ta druga możliwość jest wysoce dyskusyjna wobec prognozowanego wzrostu częstości występowania intensywnych opadów w przyszłości [1-6, 10-13] (Uwaga: Norma nie jest aktem prawnym – w myśl Ustawy o normalizacji z 2002 r. – ustalenia normatywne należy więc traktować jedynie jako wskazówki do autorskich projektów [1]).

2. Kanalizacja ściekowa

2.1. Bilans ścieków bytowo-gospodarczych i przemysłowych

Grawitacyjne kanały ściekowe (tj. bytowo-gospodarcze i przemysłowe) wymiaruje się na: maksymalny godzinowy strumień objętości ścieków bytowo-gospodarczych i przemysłowych (w dobie maksymalnej), z uwzględnieniem strumienia wód przypadkowych, tj. infiltracyjnych i deszczowych (w okresie tzw. mokrej pogody). Miarodajny do wymiarowania kanałów ściekowych strumień objętości Q_{m śc} (w dm³/s) obliczać należy z wzoru [1, 14]:

Q_{m śc} =  Q_bg + Q_p + Q_inf  + Q_wd                                              

lub ogólnie:

Q_{m śc} =  Q_bg + Q_p + Q_przyp                                                                                         

gdzie:

        Q_bg – strumień ścieków bytowo-gospodarczych, dm³/s,

        Q_p  – strumień ścieków przemysłowych, dm³/s,

        Q_inf  – strumień wód infiltracyjnych (przypadkowy), dm³/s,

        Q_wd – strumień wód deszczowych (przypadkowy), dm³/s,

        Q_przyp – łączny strumień wód przypadkowych (Q_inf  + Q_wd), dm³/s.

 Bilans odpływu ścieków bytowo-gospodarczych i przemysłowych opracowuje się wg podobnych zasad jak bilans zapotrzebowania na wodę do wymiarowania wodociągów. Obecnie odstępuje się od sporządzania szczegółowych bilansów wodnych, zwłaszcza na perspektywę ≥50 lat, na rzecz bilansów opartych na wskaźnikach – jednostkowych bądź scalonych. W metodach bilansowania odpływu ścieków bytowo-gospodarczych i przemysłowych wykorzystuje się zwykle wskaźniki zużycia wody/odpływu ścieków:

• jednostkowe, średnio-dobowe (w dm³/d) – w przeliczeniu na mieszkańca (Mk), bądź
• scalone, maksymalne-godzinowe (w dm³/s) – w przeliczeniu na mieszkańca (Mk) i/lub na  powierzchnię jednostkową danej zlewni (w ha).

Strumień objętości odpływu ścieków bytowo-gospodarczych (Q_bg) i przemysłowych (Q_p) można więc zbilansować dwoma metodami:

• metodą wskaźników średnich dobowych (MWŚD), bądź zalecaną – alternatywną
• metodą wskaźników maksymalnych godzinowych (MWMG).

Metoda wskaźników średnich dobowych (MWŚD)

Najpierw bilansuje się średnie dobowe (w m³/d) zapotrzebowanie na wodę w poszczególnych elementach zagospodarowania przestrzennego (od bardzo małego do średniego, w tab. 6), posługując się liczbą mieszkańców (LMk) miasta/osiedla i wskaźnikiem jednostkowego,  średniego dobowego zapotrzebowania na wodę (q_j) [1, 15]:

gdzie:

      q_j – wskaźnik jednostkowego dobowego zużycia wody na mieszkańca, w dm³/d (tab. 6),

      LMk – liczba mieszkańców miasta/osiedla, Mk.

I klasa – pełne wyposażenie instalacyjne mieszkań z dostawą ciepłej wody użytkowej z zewnątrz;

II klasa – pełne wyposażenie instalacyjne mieszkań z lokalnym źródłem ciepłej wody użytkowej;

III klasa – niepełne wyposażenie instalacyjne mieszkań z lokalnym źródłem ciepłej wody użytkowej.

* Podane w tabeli informacje dotyczące wskaźników zapotrzebowania na wodę w miastach – wg RMI z 2002 roku [16] – w odniesieniu do mieszkalnictwa w I klasie wyposażenia instalacyjnego (tj. mieszkań z dostawą ciepłej wody użytkowej z zewnątrz, np. z miejskiej ciepłowni) są zawyżone: 140÷160 dm³/(d · Mk), w stosunku do wskaźnika dla II klasy (tj. mieszkań z lokalnym źródłem ciepłej wody użytkowej) wynoszącego: 80÷100 dm³/(d · Mk). Według najnowszych badań [1, 18, 19], należałoby na perspektywę dla I klasy przyjmować wskaźnik jednostkowy w granicach: 100÷160 dm³/(d · Mk) (niższe wartości dla małych miast).

      Następnie oblicza się maksymalny dobowy strumień odpływu ścieków(w m³/d), z wykorzystaniem wzorów [1, 15, 17]:

                                                  Q_{dmax śc}  = Σ (Q_{d śr} · N_d · η)                                                     

lub

                                           Q_{dmax śc} = 0,001 Σ (q_j · LMk · N_d ·η)                                            

gdzie:

  N_d – współczynnik nierównomierności dobowej (wg tab. 6), [-],

   η– współczynnik (zmniejszający) określający strumień odpływu ścieków, [-].

Wielkość odpływu ścieków jest zwykle mniejsza od poboru wody wodociągowej o wartość mnożnika [1, 15, 17]:

– η = 0,95 – dla mieszkalnictwa (wielo- i jednorodzinnego) oraz usług ogólno-miejskich,

– η = 1,0 – dla komunikacji zbiorowej,

– η = 0,85 – dla terenów przemysłowo-składowych.

Przyjmując za podstawę obliczony z wzorów (4) lub (5) maksymalny dobowy strumień ścieków, w poszczególnych elementach zagospodarowania przestrzennego (Lp. 1 ÷ 4 – wg tab. 6) jako Q_{dmax śc} = 100%, sporządza się histogramy odpływów godzinowych ścieków (w m³/h), wykorzystując do tego (z braku odpowiednich badań) istniejące modele symulacyjne zapotrzebowania na wodę, tj. procentowe rozbiory w poszczególnych godzinach (w dobie maksymalnej), podane w tabeli 7 [1, 17].

Zsumowanie odpływów ścieków w poszczególnych godzinach, z wszystkich elementów zagospodarowania (tab. 7), prowadzi do określenia największej wartości godzinowego odpływu ścieków bytowo-gospodarczych i przemysłowych (w m³/h):

Q_{hmax śc} = Q_bg + Q_p

– która jest następnie przeliczana na dm³/s (1/3,6) – do bilansu ścieków wg wzorów (1) lub  (2).

Metoda wskaźników maksymalnych godzinowych (MWMG)

Z braku wiarygodnych – aktualnych danych o wskaźnikach jednostkowych oraz nierównomierności dobowej i godzinowej odpływu ścieków bytowo-gospodarczych z terenów zurbanizowanych w Polsce, można posługiwać się wytycznymi niemieckimi wg DWA-A118 z 2006 r. [14], które na perspektywę 50 lat przewidują wskaźnik scalony: q_bg = 0,004÷0,005 dm³/s na mieszkańca – jako maksymalny godzinowy odpływ ścieków bytowo-gospodarczych z mieszkalnictwa i usług ogólno-miejskich. Stąd strumień ścieków Q_bg (w dm³/s) można oszacować z wzoru:

                                                         Q_bg = q_bg · Z  ·  F_bg                                                        

lub też

                                                           Q_bg = q_bg · LMk                                                                     

gdzie:

q_bg – wskaźnik maksymalnego odpływu ścieków bytowo-gospodarczych, [dm³/(s∙Mk)],

 Z – gęstość zaludnienia miast (zwykle od 20 do 300 Mk/ha), [Mk/ha],     

 F_bg – powierzchnia zlewni miejskiej ściekówbytowo-gospodarczych, [ha],

 LMk – liczba mieszkańców miasta/osiedla, [Mk].

Odnośnie ścieków przemysłowych – na wydzielonych powierzchniach terenów (F_p w ha) należy posługiwać się wskaźnikami scalonymi maksymalnego godzinowego odpływu ścieków przemysłowych wg DWA-A118:2006 [14], skąd strumień Q_p (w dm³/s) oszacować można z ogólnego wzoru:

                                                           Q_p = q_p · F_p                                                                     

gdzie:

       q_p(n) = 0,2÷0,5 dm³/(s∙ha) – wskaźnik odpływu ścieków z przemysłu niewodochłonnego,

         q_p(w) = 0,5÷1,0 dm³/(s∙ha) – wskaźnik odpływu ścieków z przemysłu wodochłonnego,

       F_p – powierzchnia zlewni ścieków przemysłowych (terenów przemysłowych), ha.

2.2. Bilans wód przypadkowych

Ustalanie miarodajnych do wymiarowania (doboru) kanałów ściekowych strumieni objętości musi uwzględniać nieunikniony – dodatkowy dopływ wód przypadkowych, tj. wód infiltracyjnych i wód deszczowych. Wody przypadkowe, to obok infiltrujących do kanałów wód podziemnych (wskutek nieszczelności), głównie wody deszczowe i roztopowe dopływające podczas tzw. mokrej pogody, przez:

• otwory „wentylacyjne” we włazach studzienek kanalizacyjnych,
• błędne podłączenia np. rynien dachowych, wpustów podwórzowych itp.

     Wg wytycznych DWA-A118:2006 [14] należy przyjmować następujące wartości wskaźników dla wód przypadkowych (- do bilansu ścieków wg wzoru postaci (1)):

• q_inf ϵ[0,05; 0,15] dm³/(s∙ha)  –  dla wód infiltracyjnych,
• q_wd ϵ[0,2; 0,7] dm³/(s∙ha)  –  dla wód deszczowych,

czyli łącznie: q_przyp ϵ[0,25; 0,85] dm³/(s∙ha) (- do bilansu ścieków wg wzoru postaci (2)).

       Strumień wód przypadkowych Q_przyp = Q_inf + Q_wd (w dm³/s) można określać oddzielnie – dla powierzchni cząstkowych zlewni ściekówbytowo-gospodarczych (F_bg w ha) i zlewni ściekówprzemysłowych (F_p w ha), korzystając z wzorów:

                                                     Q_przyp = (q_inf  + q_wd) · F_bg                                                     

                                                      Q_przyp = (q_inf  + q_wd) · F_p.                                                     

Przykład metodyczny

Dotyczy podziału zlewni miejskiej ścieków bytowo-gospodarczych i przemysłowych na powierzchnie cząstkowe, przynależne do dwóch odcinków kanału ściekowego A-B-C (wg schematu na rys. 1), oraz metodyki obliczenia strumieni ścieków miarodajnych do doboru średnic (wg bilansu metodą wskaźników maksymalnych godzinowych (MWMG) z bilansem wód przypadkowych).

      Średnicę kanału na odcinku AB należy dobrać na strumień miarodajny Q_B (z wzorów (6) i (9) dla zlewni bytowo-gospodarczej) – w przekroju bezpośrednio przed węzłem B:

                                       Q_B = q_bg  · Z · ∑F_{bg AB} + [(q_inf  + q_wd) · ∑F_{bg AB}]

a średnicę kanału na odcinku BC należy dobrać na łączny strumień Q_C, tj. z odcinka AB + z odcinka BC – w przekroju przed węzłem C (z wzorów (6) i (9) oraz (8) i (10) – odpowiednio,  dla zlewni bytowo-gospodarczej i przemysłowej):

        Q_C = Q_B + q_bg ·Z · F_{bg BC} + [(q_inf  + q_wd) · F_{bg BC}]  + q_p· F_{p BC} + [(q_inf  + q_wd) · F_{p BC}]

2.3. Dobór kanałów ściekowych

      Jako minimalną średnicę kanałów bytowo-gospodarczych i przemysłowych (ściekowych) w miastach zaleca się obecnie D_min = 0,25 m – wg DWA-A 118:2006 [14]. W uzasadnionych przypadkach dopuszcza się D = 0,20 m – na początkowych odcinkach sieci, przy znacznych spadkach terenu i luźnej zabudowie.

      Minimalne spadki dna (grawitacyjnych) kanałów ściekowych można obliczać ze znanej formuły: i_min = 1/D (i_min w [‰] dla D w [m]). Jednakże, dla małych względnych wypełnień ściekami: h/D ≤ 0,3, powinny być one znacznie większe (niż obliczane z formuły 1/D), ze względu na warunki transportu zawiesin (organicznych i mineralnych) zawartych w ściekach, w tym wleczonych przy dnie. Z punktu widzenia hydromechaniki, transport zanieczyszczeń w kanałach ściekowych można zapewnić, jeżeli opór tarcia wyrażony stycznymi naprężeniami ścinającymi (pomiędzy ścianką rury a ściekami) będzie większy od Pa. Stąd wzór na i_min przyjmuje postać [1]:

gdzie:

       D – średnica (wewnętrzna) kanału ściekowego, m,

       R_hn – promień hydrauliczny przy częściowym wypełnieniu kanału, [m],

       R_h – promień hydrauliczny przy całkowitym wypełnieniu kanału (R_h = D/4), [m].

Przykład metodyczny

Dla kanału ściekowego o średnicy D_min = 0,25 m, z formuły 1/D spadek minimalny wynosi i_min = 1/0,25= 4,0‰. Z obliczeń wg wzoru (11) otrzymamy, dla: 

• h/D = 10%  (R_h/R_hn = 3,936)  – i_min = 0,01070= 12,8‰
• h/D = 20%  (R_h/R_hn = 2,073)  – i_min = 0,00564 = 6,8‰
• h/D = 30%  (R_h/R_hn = 1,462)  – i_min = 0,00398 = 4,8‰
• h/D = 40%  (R_h/R_hn = 1,167)  – i_min = 0,00317 = 3,8‰
• h/D = 50%  (R_h/R_hn = 1,000)  – i_min = 0,00272 = 3,3‰
• h/D = 100% (R_h/R_hn = 1,000) – i_min = 0,00272 = 3,3‰

      Tak obliczone spadki (z wzoru (11)) dla h/D ≤ 0,3, gwarantują już samooczyszczanie się kanałów ściekowych. Są też większe od obliczonych z warunku zachowania prędkości minimalnej V_min = 0,8 m/s (- przy całkowitym wypełnieniu), bowiem wówczas dla D_min = 0,25 m, i_min = 4,4‰ [15]. Szczegółowe zasady obliczeń i_min podane są w podręczniku [1]. Spadek maksymalny kanału ściekowego (i_max) powinien wynikać z warunku nieprzekraczania prędkości maksymalnej V_max = 3,0 m/s – przy całkowitym wypełnieniu danej średnicy kanału. Przykładowo, dla D_min = 0,25 m, i_max = 60‰ [1, 15].

      Kanały ściekowe dobierać należy na względne wypełnienia: 0,5 < h/D < 0,7 [1, 14]. Odpowiada to wówczas przepustowości przekroju kołowego: od 50% do 83% względem całkowitej przepustowościdanego kanału Q_o. Pozostaje więc rezerwa na przyszłościowy rozwój, wynosząca od 50% Q_o do 17% Q_o – w zależności od ważności kanału w systemie (większe wartości rezerwy dla głównych kanałów-kolektorów).

3. Kanalizacja deszczowa

3.1. Bilans wód opadowych

 Do wymiarowania systemów kanalizacji deszczowej w Polsce zalecana jest obecnie tzw. metoda maksymalnych natężeń (MMN) – z probabilistycznymi modelami opadów maksymalnych, typu DDF (Depth-Duration Frequency) bądź IDF (Intensity-Duration Frequency) [1]. Metoda ta wzorowana jest na najnowszej tzw. metodzie współczynnika opóźnienia (MWO) stosowej w Niemczech, wg zaleceń DWA (Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. – Niemieckie  Stowarzyszenie Gospodarki Wodnej, Ściekowej i Odpadowej) [14]. Obie metody należą do grupy „bezpiecznych metod czasu przepływu”, gdzie uzależnia się opóźnienie (redukcję) spływu powierzchniowego jedynie od rzeczywistego czasu trwania deszczu (t_d) – równego czasowi przepływu ścieków w kanałach (t_p) [1, 14]. Stwierdzono bowiem, iż miarodajne do projektowania systemów odwodnień terenów, maksymalne natężenia, zwykle krótkotrwałych deszczów (o czasach trwania od kilkunastu minut 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 (sieci i obiektów) strumień objętości wód opadowych Q_md (wdm³/s), według metody maksymalnych natężeń (MMN), oblicza się z wzoru [1]:

                                   Q_{md =} q_max (t_d,C) · ψ_s · F

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 (maksymalny) współczynnik spływu wód deszczowych zależny od stopnia uszczelnienia powierzchni ψ, spadków terenui_t i częstości deszczu C, [-],

        F    –   powierzchnia zlewni deszczowej, [ha].

      Maksymalny spływ powierzchniowy (o strumieniu Q_md – z wzoru (12)) pochodzi z miarodajnej – zredukowanej zlewni deszczowej o zastępczej powierzchni F_{m zr} (w ha):

                                                                   F_{m zr}  = ψ_s ·F                                                        

      W wymiarowaniu kanalizacji deszczowej oblicza się najpierw zastępczy (średni ważony)współczynnik „spływu” (ψ) – utożsamiany ze stopniem uszczelnienia powierzchnidanej zlewni (F ), obliczany z wzoru [1, 14, 15]:

gdzie: 

      ψ_i – współczynnik spływu (i-tej) powierzchni cząstkowej w zlewni danego kanału, [ -],

      F_i – (i-ta) powierzchnia cząstkowa – składowa zlewni (F) danego kanału, [ha],

      F – całkowita powierzchnia zlewni deszczowej danego kanału, [ha],

      F_zr – zredukowana wstępnie – szczelna powierzchnia zlewni danego kanału (F_zr = ψ·F), [ha].

Wartość współczynnika spływu (ψ_i) danej powierzchni cząstkowej (F_i) w zlewni deszczowej (F) – przyporządkowanej do danego (odcinka) kanału deszczowego, należy przyjmować w zależności od rodzaju pokrycia terenu. Gdy dysponujemy szczegółowymi planami zagospodarowania przestrzennego, wówczas ψ_i  np. wg zaleceń [15]:

– dachy – ψ_i [0,90; 1,00];  

– drogi asfaltowe – ψ_i [0,85; 0,90];

– bruki kamienne, klinkierowe – ψ_i [0,75; 0,85];

– drogi żwirowe – ψ_i [0,15; 0,30];

– parki, ogrody, łąki, zieleńce – ψ_i [0,00; 0,10];

Gdy brak jest szczegółowych planów zagospodarowania terenów, wówczas ψ_i wg [15]:

– zabudowa zwarta – ψ_i [0,5; 0,7];

– zabudowa luźna – ψ_i [0,3; 0,5];

– zabudowa willowa – ψ_i [0,2; 0,3];

– powierzchnie niezabudowane – ψ_i [0,1; 0,2];

– parki i duże obszary zieleni – ψ_i [0,0; 0,1].

      Po obliczeniu, z wzoru (14), stopnia uszczelnienia powierzchni (ψ) danej zlewni deszczowej, należy ustalić wartość szczytowego współczynnika spływu (ψ_s) – przy uwzględnieniu wpływu spadków terenuoraz przyjętej częstości deszczu obliczeniowego C (dla danej zlewni). Wartość liczbową szczytowego (maksymalnego) współczynnika spływu ψ_s należy ustalać na podstawie tabeli 8 [1, 14].

Przykład metodyczny

Dla obliczonego stopnia uszczelnieniapowierzchnizlewni ψ = 0,25, przy uwzględnieniu spadków terenu w granicach: 1% < i_t ≤ 4%, i deszczu obliczeniowego o częstości występowania C = 5 lat, na podstawie tabeli 8, interpolowana liniowo wartość szczytowego współczynnika spływu wynosi: ψ_s = 0,465.

W MMN, najkrótsze miarodajne czasy trwania deszczu obliczeniowego należy przyjmować w zależności od spadków terenu i stopnia uszczelnienia powierzchni, jako:      t_dmin Î {5, 10, 15} minut –  na podstawie tabeli 9, wg DWA-A118:2006  [1, 14].

3.2. Współczesne modele opadów

      Dotychczas stosowana formuła Błaszczyka na natężenie deszczów, oparta na danych opadowych z przełomu XIX i XX wieku, zaniża obecne natężenia opadów średnio o 40% we Wrocławiu (dla danych z lat 1960÷2009 [20]), oraz średnio o 36% w Warszawie i o 33% na terenie całego kraju (dla danych z lat 1986÷2015 [21]). Nie może być więc nadal stosowana, gdyż wymagałaby „sztucznej” korekty częstości opadów [1, 11, 20].

      W pracy [1] postuluje się, aby do czasu opracowania i upowszechnienia Polskiego Atlasu Natężeń Deszczów (PANDa) – na wzór atlasu KOSTRA (Koordinierte Starkniederschlags-regionalisierung – Auswertung) w Niemczech, stosować (do MMN) współczesne modele opadów maksymalnych wg tabeli 10. Przyjmowane częstości deszczów obliczeniowych powinny być już obecnie podwyższane – względem standardów [7, 8, 9] (np. w granicach zaproponowanych w tab. 3), ze względu na prognozowane zmiany klimatu [1].

W szczególności, we Wrocławiu stosować można lokalny model probabilistyczny opadów maksymalnych oparty na rozkładzie Fishera-Tippetta typu III_min, dla zakresu t_d Î[5; 4320] minut i C Î[1; 100] lat, postaci IDF (q_max = 166,7h_max/t_d), wg [1, 20]:

lub model probabilistyczny oparty na uogólnionym rozkładzie wykładniczym (GED), postaci IDF, wg [1, 22]:

gdzie:

          q_max – maksymalne jednostkowe natężenie opadu (dla t_d = t_p), [dm³/(s∙ha)],

          t_d – czas trwania deszczu, [min],

          C – częstość (powtarzalność) deszczu obliczeniowego, [lata].     

Natomiast, na terenie całego kraju można stosować regionalny model probabilistyczny opadów maksymalnych Bogdanowicz – Stachý³⁾ oparty na rozkładzie Weibulla [23], dla zakresu t_d ϵ[5; 4320] minut i C ϵ[2; 100] lat, o postaci IDF, wg [1, 24] (Model ten [17] nie obejmuje obszarów podgórskich i górskich – zakreskowane na rys. 2; nie może być też stosowany dla częstości deszczy pojawiających się raz na rok (C = 1) [1, 20, 24]):

gdzie:

          α (R, t_d) – parametr skali zależny od regionu Polski i czasu t_d (wg rys. 2).

      W regionie centralnym Polski (R₁) parametr α obliczany jest z wzorów:

α (R, t_d) = 4,693 · ln (t_d + 1) – 1,249

      – dla t_d ϵ [5; 120) min;                   

α (R, t_d) = 2,223 · ln (t_d + 1) +10,639

     – dla t_d ϵ[120; 1080) min;

α (R, t_d) = 3,01 · ln (t_d + 1) +5,173

     – dla t_d ϵ [1080; 4320] min.       

    W regionie północno-zachodnim (R₂) parametr α obliczany jest z wzorów (dla czasów trwania opadów ≥ 60 minut region R₂ zanika, przechodząc w R₁ [23]):

α (R, t_d) = 3,92 · ln (t_d + 1) – 1,662

   – dla t_d ϵ [5; 30] min;                  

α (R, t_d) = 9,160 · ln (t_d + 1) – 19,6

  – dla t_d ϵ (30; 60) min.              

     W regionach południowym i nadmorskim (R₃) parametr α obliczany jest z wzoru:

α (R, t_d) = 9,472 · ln (t_d + 1) – 37,032

  – dla t_d ϵ [720; 4320] min.       

3.3. Dobór kanałów deszczowych

      Biorąc pod uwagę prognozowany wzrost intensywności opadów w przyszłości, jako minimalną średnicę kanałów deszczowych w miastach, zaleca się obecnie przyjmować D_min = 0,40 m, a tylko w uzasadnionych przypadkach stosować można D = 0,30 m – na początkowych odcinkach sieci, przy znacznych spadkach terenu (- na podstawie symulacji komputerowych dla przyszłych obciążeń opadami, wg podręcznika [1]).

      Minimalne spadki dna kanałów deszczowych można określać ze znanej formuły:           i_min = 1/D (i_min w [‰] dla D w [m]). Przykładowo, dla D_min = 0,40 m, i_min = 1/0,40 = 2,5‰, przy czym dla D ≥ 1,0 m, i_min = 1,0‰. Spadek maksymalny kanałów deszczowych (i_max) powinien wynikać z warunku nieprzekraczania prędkości maksymalnej V_max = 5,0 m/s – w warunkach całkowitego wypełnienia danego przekroju (średnicy) kanału. Przykładowo dla D_min = 0,40 m, i_max = 90‰ [1, 15].

      Kanały deszczowe należy dobierać na niecałkowite wypełnienie, tj. maksymalnie do 90% przepustowości całkowitej (Q_o) danego przekroju (np. średnicy D) kanału – wg zaleceń DWA-A118 z 2006 r. [14], czyli do względnego wypełnienia [1]:

– 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).

      Uwzględniając zmiany klimatu, celowe staje się także zwiększenie minimalnej średnicy przykanalików z deszczowych wpustów ulicznych – z D= 0,15 m na D= 0,20 m, a także zwiększenie liczby projektowanych wpustów deszczowych (z typowym rusztem 0,4×0,6 m), tj. zmniejszenie ich rozstawów, z obecnie zalecanych ≤ 30 m, do rozstawów ≤ 25 m – w zależności od klasy drogi i spadków niwelety jezdni wg tabeli 11 (- na podstawie [25, 26]).

Przykład metodyczny

Dotyczy przyporządkowania „pośrednich” średnic kanałów – na odcinkach zwymiarowanego kolektora deszczowego A-B-C-D, wg schematu na rysunku 3.

Kolektor AD podzielono na 3 odcinki i obliczono miarodajne (do doboru średnic) strumienie wód deszczowych: Q_B, Q_C  i Q_D:

– na odcinku AB – dla Q_B i spadku dna kanału i_k1 dobrano średnicę: D₁ = 0,60 m,

– na odcinku BC – dla Q_C i spadku dna kanału i_k2 dobrano średnicę:  D₂ = 0,80 m,

– na odcinku CD – dla Q_D i spadku dna kanału i_k3 dobrano średnicę: D₃ = 1,20 m.

     Do wyznaczenia położenia „pośrednich” średnic na długości kolektora sporządzono wykres pomocniczy: Q = f(L_AD), na podstawie którego (rys. 3), przyjmując liniowy przyrost strumienia na długości odcinków kanału, określono „położenie” innych średnic, tj. np.: D = 0,30 m, D = 0,40 m i D = 0,50 m (na odcinku AB, spadek dna kanału o średnicy D_i musi być odpowiedni hydraulicznie: i_{k min} ≥ 1/D_i.) oraz D = 1,0 m (na odcinku CD).

4. Wnioski końcowe

      Aktualny stan prawny nakłada na projektantów systemów kanalizacyjnych obowiązek bezpiecznego ich projektowania, tzn. zgodnie z najlepszą dostępną wiedzą techniczną (BAT). Ponieważ grawitacyjne systemy kanalizacyjne na terenach zurbanizowanych są projektowane na perspektywę 50÷100 lat, właściwe jest uwzględnianie zagrożeń wynikających z prognozowanych zmian klimatu w horyzoncie czasowym 2100 roku oraz ciągłe doskonalenie metod i zasad wymiarowania rozdzielczych systemów kanalizacji, tj. ściekowej i deszczowej.

      Ze względu na brak wiarygodnych – aktualnych danych o wskaźnikach jednostkowych (w przeliczeniu na mieszkańca) i modelach nierównomierności (dobowej i godzinowej) odpływu ścieków bytowo-gospodarczych (i przemysłowych) z terenów zurbanizowanych w Polsce, do wymiarowania kanalizacji ściekowej, jako bezpieczną metodę bilansowania strumieni ścieków bytowo-gospodarczych, zaleca się metodę wskaźników maksymalnych godzinowych (MWMG) – opartą na wskaźnikach scalonych. Natomiast, do bilansowania strumieni ścieków przemysłowych, na wydzielonych powierzchniach terenów, zaleca się scalone wskaźniki maksymalnego godzinowego odpływu ścieków przemysłowych (w przeliczeniu na hektar). Dodatkowo należy bilansować wody przypadkowe, a także uwzględniać rezerwę przepustowości kanałów ściekowych na przyszłościowy rozwój.

      Z uwagi na prognozowany wzrost częstości występowania intensywnych opadów w przyszłości, do wymiarowania kanalizacji deszczowej, jako bezpieczną metodę bilansowania strumieni wód opadowych, zaleca się metodę maksymalnych natężeń (MMN) – ze współczesnymi probabilistycznymi modelami opadów. Postuluje się przy tym przyjmowanie większych częstości opadów projektowych (niż zalecane w obecnych standardach: PN-EN 752:2008:2017 i MTiGM:1999), co pozwoli na zachowanie także w przyszłości, obecnie dopuszczalnych częstości występowania zagrożeń wylewami z kanałów.

5.  Literatura

1. Kotowski A.: Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnień terenów. Sieci kanalizacyjne (T. I); Obiekty specjalne (T. II). Wyd. Seidel-Przywecki, Warszawa 2011 (wyd. I), 2015 (wyd. II).
2. IPCC Climate Change 2014: Impacts, Adaptation and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Fifthe Assessment Report of the Intergov. Panel on Climate Change. Cambridge University Press, 2014.
3. Landerink G., Van Meijgaard E.: Increase in hourly precipitation extremes beyond expectations from temperature changes. Nature Geosci. 2008, nr 1, s. 511-514.
4. Staufer P., Leckebusch G., Pinnekamp J.: Die Ermittlung der relevanten Niederschlagscharakteristik für die Siedlungsentwässerung im Klimawandel. KA – Korrespondenz Abwasser, Abfall 2010, Jg. 57, nr 12.
5. Willems P.: Revision of urban drainage design rules based on extrapolation of design rainfall statistics. Proc. 12th Internat. Conf. on Urban Drainage, Porto Alegre (Brazil), 11-16 September 2011.
6. Kundzewicz Z. W.: Zmiany ryzyka powodziowego w Europie. Sympozjum europejskie nt. Współczesne problemy ochrony przeciwpowodziowej. Paryż–Orlean, 28-30 marzec 2012, s. 11-20.
7. PN-EN 752:2008: Drain and sewer systems outside buildings (Zewnętrzne systemy odwadniające i kanalizacyjne). PKN, Warszawa 2008.
8. PN-EN 752:2017: Drain and sewer systems outside buildings – Sewer system management (Zewnętrzne systemy odwadniające i kanalizacyjne – Zarządzanie systemem kanalizacyjnym). PKN, Warszawa 2017.
9. 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.B. 1999, nr 43 (poz. 430).
10. Kaźmierczak B., Kotowski A.: The influence of precipitation intensity growth on the urban drainage systems designing. Theoretical and Applied Climatology 2014, vol. 118, nr 1, s. 285-296.
11. Kotowski A.: Kwantyfikacja problemu zmian klimatu w projektowaniu infrastruktury wodno-kanalizacyjnej miast. (60. Konf. Nauk. KILiW PAN – Krynica). Wyd. Politechniki Lubelskiej 2014, s. 177-189.
12. Merkblatt Nr. 4.3/3: Bemessung von Misch – und Regenwasserkanälen. Teil 1: Klimawandel und möglicher Anpassungsbedarf. Bayerischen Landesamtes für Umwelt, 2009.
13. Kotowski A., Kaźmierczak B., Licznar P.: Wybrane problemy projektowania i modelowania odwodnień terenów. Instal 2018, nr 5, s. 56-61.
14. DWA-A118:2006: Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwässerungssystemen. DWA, Hennef 2006.
15. Błaszczyk W., Roman M., Stamatello H.: Kanalizacja. Tom I. Arkady, Warszawa 1974.
16. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 14 stycznia 2002 r. w sprawie określania przeciętnych norm zużycia wody. Dz. U. Nr 8 z dnia 31 stycznia 2002 r. (poz. 70).
17. Instytut Kształtowania Środowiska: Wytyczne do programowania zapotrzebowania wody i ilości ścieków w miejskich jednostkach osadniczych. MAGTiOŚ. Departament Gospodarki Komunalnej, Warszawa 1978.
18. Szopińska K., Pasela R.: Struktura zużycia wody w budownictwie wielorodzinnym. Instal 2009, nr 5 (296), s. 42-44.
19. Nowakowski E.: Wskaźniki zużycia wody w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej. Rynek Instalacyjny 2012, nr 7-8, s. 80-82.
20. Kotowski A., Kaźmierczak B., Dancewicz A.: Modelowanie opadów do wymiarowania kanalizacji. Wyd. Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN. Studia z zakresu Inżynierii nr 68, Warszawa 2010.
21. Licznar P., Siekanowicz-Grochowina K., Oktawiec M., Kotowski A., Burszta-Adamiak E.: Empiryczna weryfikacja formuły Błaszczyka do obliczania wartości natężenia deszczu miarodajnego. Ochrona Środowiska 2018, vol. 40, nr 2, s. 17-22.
22. Kotowski A., Kaźmierczak B.: Probabilistic models of maximum precipitation for designing sewerage. Journal of Hydrometeorology 2013, vol. 14, nr 6, s. 1958-1965.
23. Bogdanowicz E., Stachý J.: Maksymalne opady deszczu w Polsce. Charakterystyki projektowe. Materiały badawcze. Seria: Hydrologia i Oceanologia, nr 23. IMGW, Warszawa 1998.
24. Licznar P., Burszta-Adamiak E., Kotowski A., Siekanowicz-Grochowina K., Oktawiec M.: Empiryczna weryfikacja modelu Bogdanowicz – Stachý do obliczania wartości natężenia deszczu miarodajnego. Ochrona Środowiska 2018, vol. 40, nr 3, s. 21–28.
25. Edel R.: Odwadnianie dróg. Wyd. Komunikacji i Łączności, Warszawa 2007.
26. Edel R., Suligowski Z.: Wpływ parametrów wpustów deszczowych na sprawność odwodnienia powierzchniowego dróg i ulic. Wyd. Politechniki Gdańskiej 2004.

Prof. dr hab. inż. Andrzej Kotowski , Dr inż. Bartosz Kaźmierczak  

Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Katedra Wodociągów i Kanalizacji

Pracę zrealizowano w ramach działalności statutowej Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej (zlec. W7/K2 nr 0401/0054/18), finansowanej ze środków MNiSW.

źródło: Technologia Wody 1/2019