Współczesne standardy obliczeń hydraulicznych kanałów ściekowych i deszczowych

W pracy zaprezentowano aktualny stan wiedzy w zakresie bezpiecznego wymiarowania hydraulicznego kanałów, zgodnie z najlepszą dostępną wiedzą techniczną. Omówiono trzy metody obliczeń przepływów cieczy w kanałach: metodę opartą na uniwersalnym wzorze Colebrooka-White’a z zastępczą chropowatością (k) – zalecaną przez normę PN-EN 752; metodę opartą na wzorze Manninga ze współczynnikiem szorstkości (n) – dla przepływów turbulentnych w strefie kwadratowego prawa oporów oraz metodę opartą na zmienionej postaci wzoru Manninga – z zastępczą chropowatością (k), zalecaną przez normę PN-EN 752 dla tej strefy. Sformułowano także zalecenia do doboru parametrów hydraulicznych kanałów ściekowych i deszczowych.

1. Wprowadzenie

Aktualny stan prawny nakłada na projektantów systemów odwodnień terenów obowiązek bezpiecznego ich wymiarowania, tzn. zgodnie z najlepszą dostępną wiedzą techniczną – BAT (Best Available Techniques). 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 [1, 2]. Praca stanowi kontynuację tematyki artykułu pt. Zalecenia metodyczne do obliczeń projektowych kanalizacji rozdzielczej, opublikowanego w TW nr 1/2019 [1].

Odnośnie europejskich standardów obliczeń hydraulicznych przy wymiarowaniu przewodów/ kanałów w systemach odwodnień terenów, historycznie pierwowzorem polskiej normy – zharmonizowanej z normą europejską PN-EN 752 z lat 2000/2001 Zewnętrzne systemy kanalizacyjne [3] – była norma EN 752 z 1996 r. Zarówno pierwsza wersja normy PN-EN 752:2000/2001, jak i druga wersja PN-EN 752:2008 [4], czy najnowsza wersja PN-EN 752:2017 [5], zaleca do obliczania przepływów cieczy w przewodach/ kanałach ściekowych-deszczowych stosowanie uniwersalnego wzoru Colebrooka-White’a – dla zastępczej chropowatości ścian (k). Tym samym odstępuje się od powszechnego stosowania wzoru Manninga – ze współczynnikiem szorstkości (n), jako mniej dokładnego i stosuje się go jedynie dla przepływów turbulentnych w III strefie (kwadratowego prawa oporów).

2. Najlepsza dostępna wiedza techniczna z zakresu hydrauliki

Podczas ruchu cieczy newtonowskiej (woda/ścieki) powstają naprężenia styczne (opory) wywołane lepkością, określane jako straty hydrauliczne. Wysokość liniowych strat hydraulicznych (Δh) w całkowicie wypełnionym przewodzie, o długości l i średnicy wewnętrznej D, wyraża wzór Darcy-Weisbacha [2]:

(1)

gdzie:

l – współczynnik oporów liniowych (tarcia) [–],

u – średnia prędkość strumienia cieczy w przekroju poprzecznym przewodu [m/s],

g – przyśpieszenie ziemskie [m/s²],

R_h – promień hydrauliczny (R_h = D/4 dla przewodów o przekroju kołowym, całkowicie wypełnionych) [m].

Promień hydrauliczny stosowany jest do obliczeń przewodów o przekroju innym niż kołowy. W przewodach/kanałach częściowo wypełnionych R_h pełni rolę hydraulicznego wskaźnika stopnia wypełnienia przekroju przewodu. Definiowany jest ogólnie jako stosunek powierzchni przekroju poprzecznego strumienia (A) cieczy do obwodu zwilżonego (U):

(2)

Dla izotermicznych (bez wymiany ciepła), turbulentnych przepływów cieczy, mających znaczenie praktyczne w sieciach kanalizacyjnych (i wodociągowych), tzn. przy wartościach liczby Reynoldsa: Re > 4000, w literaturze naukowo-technicznej dostępnych jest wiele wzorów określających wartość współczynnika l – najczęściej w odniesieniu do konkretnych materiałów przewodów [2, 7-11]. Ich ogólna postać zależy od strefy, w jakiej odbywają się przepływy wody/ścieków. W ruchu turbulentnym wyodrębnia się trzy takie strefy, mianowicie:

• strefę I – przepływów w przewodach hydraulicznie gładkich, gdzie: l = f₁(Re);
• strefę II – przepływów przejściowych: l = f₂(Re, k/d);
• strefę III – przepływów o kwadratowej zależności oporów: l = f₃(k/d).

Współczynnik oporów liniowych (l) zaleca się obecnie obliczać ze wzoru [2]:

(3)

gdzie:

k – zastępcza chropowatość wewnętrznych ścian przewodu [m],

n – współczynnik lepkości kinematycznej cieczy [m²/s],

Re – liczba Reynoldsa (bezwymiarowa), definiowana jako:

(4)

Zapis 3 znany jest w Polsce pod nazwą wzoru Cole- brooka-White’a. Ma uniwersalny charakter – obejmujący swoim zakresem wszystkie (3) strefy przepływów turbulentnych. Znalazło to odbicie w literaturze przedmiotu, przepisach czy normach większości państw, w tym w Polsce. Wzór ten powstał na podstawie badań Nikuradsego dotyczących rur hydraulicznie gładkich (miedzianych) oraz ze sztuczną – równomierną chropowatością piaskową, a także badań Colebrooka i White’a – rur z nierównomierną chropowatością piaskowo-żwirową [7, 8].

Zastępcza chropowatość piaskowa (k), występująca we wzorze Colebrooka-White’a (3), jest więc miarą sprawności przepływu przewodu, która zależy nie tylko od wielkości i rozmieszczenia nierówności na powierzchni rur (wynikających z rodzaju materiału czy technologii produkcji), ale także od wielu innych czynników, w tym od lepkości medium (woda/ścieki). W praktyce nie jest to więc jedynie miara średniej wysokości nierówności na wewnętrznych powierzchniach ścian przewodów, jak się dotychczas niekiedy mylnie sądzi, lecz jest to pewien współczynnik hydrauliczny, zależny również od naturalnych strat liniowych i miejscowych – wywołanych zaburzeniami osiowego rozkładu prędkości (np. w skutek niejednorodności kształtu poprzecznego przewodów, czy z braku prostoosiowego ułożenia – tzw. klawiszowania, czy też powstającymi na połączeniach odcinków przewodów, armaturze, kształtkach itp.). Dodatkowo zależy on od czasu eksploatacji przewodów (inkrustacja, osady). Przykładowo, w nowo ułożonych przewodach ściekowych z tworzyw sztucznych (np. z PVC o k = 0,01 mm), zastępcza chropowatość osiąga z pomiarów strat hydraulicznych (Δh), eksploatacyjne wartości k_e ≥ 0,1 mm, wg ATV-A110 [6].

Wzór Colebrooka-White’a (3), jako powszechnie uznany, powinien stanowić bazę odniesienia do określania wartości zastępczej chropowatości dla różnych materiałów przewodów, w całym zakresie izotermicznych przepływów turbulentnych, w tym dla celów porównawczych zmian sprawności hydraulicznej przewodów wodnych w czasie [9].

Z zastosowania wzoru Colebrooka-White’a do obliczeń hydraulicznych przewodów i kanałów ściekowych/ deszczowych (o kształtach cylindrycznych bądź pryzmatycznych), po odpowiednich przekształceniach, otrzymamy wzór na średnią prędkość przepływu (u w m/s), o ogólnej postaci [2, 6-8]:

(5)

gdzie:

f – współczynnik kształtu przekroju poprzecznego przewodu/kanału [–],

J – spadek linii energii wywołany tarciem [–].

Wzór 5 w zastosowaniu do częściowo wypełnionych kanałów cylindrycznych (o przekroju kołowym bądź zbliżonym do kołowego) przyjmuje praktyczną postać:

(6)

Stosując równanie ciągłości ruchu otrzymamy:

(7)

gdzie:

Q – strumień objętości (przepływu) cieczy [m³/s],

A – pole powierzchni przekroju poprzecznego strumienia cieczy [m²].

Dla przepływów cieczy w III strefie (kwadratowego prawa oporów), jako alternatywną do metody bazującej na wzorze Colebrooka-White’a, do wymiarowania kanałów norma PN-EN 752 dopuszcza stosowanie uproszczonej metody – opartej na wzorze Chezy-Manninga na prędkość średnią (u w m/s), o historycznej postaci [2-9]:

(8)

gdzie:

n – współczynnik szorstkości ścian przewodu/kanału [s/m^1/3],

C_M – współczynnik (prędkości) Chézy do wzoru Manninga [m^1/2/s]:

(9)

Współczynnik szorstkości (n) we wzorze Manninga zależy od stanu hydraulicznego kanałów – analogicznie jak zastępcza chropowatość (k) we wzorze Colebrooka-White’a. W normie PN-EN 752 definiowany jest jako współczynnik Manninga: K = 1/n, którego wartość (w III strefie) należy uzależniać od k za pomocą wzoru [2-5]:

(10)

Stąd nowy zapis wzoru Manninga (8) – w zmienionej postaci wg PN-EN 752 (ze współczynnikiem K wg 10), przyjmuje postać:

(11)

W Niemczech (wg ATV-DVWK – A110) do wymiarowania zamkniętych przewodów i kanałów (ściekowych/ deszczowych), w tym działających przy częściowym wypełnieniu, do wzorów 5 i 6 zaleca się przyjmować uśrednione wartości zastępczej chropowatości eksploatacyjnej (k_e) ścian, w wysokości [6]:

• k_e = 0,50 mm – dla przewodów/kanałów tranzytowych ze studzienkami o kinetach do wysokości przekroju kanału;
• k_e = 0,75 mm – dla przewodów/kanałów zbierających ścieki ze studzienkami o kinetach do wysokości przekroju kanału;
• k_e = 1,5 mm – dla przewodów/kanałów zbierających ścieki/wody opadowe ze studzienkami o kinetach do wysokości połowy przekroju kanału.

W Austrii (wg OWWW – Regelblatt 5) do wymiarowania przewodów i kanałów zamkniętych zaleca się przyjmować do wzorów 5 i 6 wartości zastępczej chropowatości w wysokości [12]:

• k = 0,40÷1,0 mm – dla długich przewodów/kanałów ciśnieniowych;
• k = 1,0 mm – dla długich kolektorów tranzytowych;
• k = 1,5 mm – dla typowych przewodów/kanałów zbierających ścieki/wody

W Szwajcarii (wg SIA 190/SIA 38/SIA 40) do wzorów 5 i 6 zaleca się przyjmować wartości zastępczej chropowatości ścian kanałów w wysokości [13]:

• k = 0,1 mm – dla gładkich przewodów/kanałów (np. z tworzyw sztucznych);
• k = 1,0 mm – dla przewodów/kanałów chropowatych (np. betonowych).

Zalecane wyżej wartości k_e i k uwzględniają w sobie typowe straty miejscowe, powstające m.in. na łączeniu prefabrykowanych elementów kanałów czy w studzienkach rewizyjnych. Nie uwzględniają natomiast większych strat miejscowych, m.in.: na armaturze, zmianach kierunków tras czy wlotach/wylotach ścieków do/z obiektów kanalizacyjnych itp. Straty te należy ustalać dodatkowo – indywidualnie. Odpowiednie wskazówki w tym zakresie znaleźć można w pracy [2]. Wg badań Dąbrowskiego [14], kanały betonowe cechować się mogą znacznie wyższymi wartościami zastępczej chropowatości: k_e Î [1,5; 6,0] mm w zależności od jakości wykonania, stanu technicznego – grubości odłożonych (scementowanych) osadów dennych.

W Wielkiej Brytanii opracowano tablice hydrauliczne, w tym do wymiarowania przewodów/kanałów na podstawie wzoru Colebrooka-White’a postaci 5 i 6, dla chropowatości ścian od k = 0,003 mm do k = 60,0 mm, z zastrzeżeniem, że wybór wartości k powinien uwzględniać m.in. podatność kanałów na występowanie trwałych złogów osadów, w tym obecności rumoszu dennego. Podobnie w USA zalecono do wzorów 5 i 6 wartości zastępczej chropowatości k z przedziału: k od 0,25 do 30,0 mm – w tym dla przewodów/kanałów prefabrykowanych [6].

W Polsce do wzorów empirycznych/półempirycznych aproksymujących wzory 5 i 6, zalecano stosowanie wartości chropowatości k z przedziału od k = 0,12 mm do k = 4,1 mm – dla przewodów/kanałów betonowych, przy czym w przeciętnych warunkach do obliczeń hydraulicznych należało przyjmować k = 1,5 mm [2, 11].

Do obliczeń projektowych współczynnik  lepkości kinematycznej cieczy (ścieki/wody opadowe) należy przyjmować w wysokości n = 1,43 · 10-6 m²/s – dla stęże- nia zawiesin do ok. 600 mg/dm³, w temperaturze 10°C (283,15 K) [2, 10].

3. Praktyka projektowa obliczeń hydraulicznych kanałów

Do obliczeń inżynierskich koryt/kanałów, w tym częściowo wypełnionych, gdzie zakłada się zwykle przepływ równomierny i ustalony, w którym występuje równość spadku linii energii (J) ze spadkiem zwierciadła cieczy i spadkiem dna kanału (i), stosowany jest nadal historyczny wzór Manninga (8) na prędkość średnią (u w m/s), o postaciach [2-5]:

(12)

Zapisy (12) wzoru Manninga są najczęściej (do niedawna powszechnie) stosowane do wymiarowania przewodów/kanałów ściekowych i deszczowych (m.in do odwodnień liniowych), zarówno otwartych – o kształtach pryzmatycznych (np. o przekroju trapezowym, prostokątnym bądź zbliżonym), jak i zamkniętych (częściowo wypełnionych) o kształtach cylindrycznych (np. o przekroju kołowym bądź zbliżonym). Przykładowo, wg [2, 6, 11]:

• w Polsce, najczęściej dla K = 77 m^1/3/s
  (n = 0,013 s/m^1/3) – dla prefabrykowanych przewodów/kanałów betonowych (ściekowych, deszczowych i ogólnospławnych);
• w Austrii, ogólnie dla K = 25÷70 m^1/3/s; (n = 0,040÷0,014 s/m1/3) – z uwzględnieniem tarcia powietrza (wg Tormanna);
• w Szwajcarii, ogólnie dla K ≤ 85 m^1/3/s
  (n ≥ 0,012 s/m^1/3) – z uwzględnieniem tarcia powietrza (wg Tormanna);
• we Francji, w szczególności: K = 70 m^1/3/s(n = 0,014 s/m^1/3) – dla kanałów ściekowych (przy czym dla prefabrykowanych szczególnie starannie wykonanych: K = 84 m^1/3/s (n = 0,012 s/m^1/3)) oraz K = 60 m^1/3/s (n = 0,0167 s/m^1/3) – dla kanałów deszczowych i ogólnospławnych.

Wzór Manninga, w zapisach 8 i 12, należy do tzw. grupy wzorów Chézy, w których współczynnik prędkości C_M był/jest określany z wielu uproszczonych formuł empirycznych, w kolejności historycznej: wg Kuttera [1869], wg Lindleya [1887], wg Manninga [1889], wg Bazina [1897] czy wg Forcheimera [1923] [6]. Przykładowo, formuła Bazina znacznie zawyża wyniki obliczeń u i Q względem formuły Manninga. Wynika to m.in. z różnych zapisów współczynnika prędkości C_M w funkcji promienia hydraulicznego R_h : C_M = f(R_h^1/2) – w formule Bazina i C_M = f(R_h^1/6) – w formule Manninga.

Empiryczny wzór Manninga, jako powszechnie uznawany za technicznie dokładny (w III strefie), jest nadal stosowany do obliczeń projektowych z kanalizacji, m.in. w USA, Wielkiej Brytanii, Japonii, Austrii, Szwajcarii, Niemczech, Francji, Szwecji czy w Polsce.

4. Zalecenia do doboru parametrów hydraulicznych kanałów

Istotnym zagadnieniem przy wymiarowaniu kanałów grawitacyjnych ze swobodnym zwierciadłem cieczy (częściowo wypełnionych) jest dobór odpowiedniego spadku dna, gwarantującego założony przepływ strumienia cieczy (Q) w warunkach samooczyszczania się kanałów.

Powszechnie w literaturze przedmiotu stosowana jest formuła Imhoffa na spadek minimalny (i_min), w zapisie dla przekroju kołowego (o średnicy D) [1, 2-6]:

(13)

gdzie:

i_min – w promilach, gdy wymiar średnicy D wyrażony jest w metrach lub i_min – w ułamku, gdy D w mm.

Według badań Suligowskiego [15], formuła 13 może być stosowana dla względnych wypełnień kanałów większych od 30% (h/D > 0,3).

Ogólnie, w przypadku kanałów cylindrycznych, tj. o przekroju kołowym bądź zbliżonym do kołowego (np. kołowym wydłużonym, jajowym, gruszkowym, dzwonowym), najczęściej do formuły 13 podstawia się: D = 4R_h, stąd [2, 6]:

(14)

W przypadku kanałów pryzmatycznych, tj. o przekroju prostokątnym bądź zbliżonym, (np. trapezowym, pięciokątnym, złożonym) uwzględnia się dodatkowo współczynnik kształtu ( f ), a do formuły 13 podstawia się: D = 4 · f · R_h. Stąd ogólnie [2, 6, 16]:

(15)

Historycznie, w wytycznych technicznych projektowania (WTP) miejskich sieci kanalizacyjnych z 1965 roku [17], sformułowano zasadę zachowania minimalnej prędkości (u_min) przepływu ścieków przy całkowitym wypełnieniu kanałów, jako warunku ich samooczyszczania się, tj. odpowiednio:

• w systemie kanalizacji rozdzielczej, w kanałach bytowo-gospodarczych i przemysłowych oraz deszczowych: u_min = 0,8 m/s,
• w systemie kanalizacji ogólnospławnej: u_min = 1,0 m/s.

Grawitacyjne przewody i kanały do transportu ścieków/wód deszczowych, tj. mieszanin ciał stałych i cieczy (wody), powinny być układane z takim spadkiem dna, aby możliwy był transport zanieczyszczeń zawartych w ściekach, w tym wleczonych przy dnie, jak również rozmywanie już odłożonych złogów czy osadów – przy mniejszych strumieniach przepływu.

Z punktu widzenia hydromechaniki, transport zanieczyszczeń można zapewnić, jeżeli opór tarcia wyrażony stycznymi naprężeniami ścinającymi (t), pomiędzy ścianką rury a ściekami, będzie większy od t_min. Minimalne naprężenia ścinające przyjmuje się w wysokości [2, 7, 8, 15]:

• t_min ≥ 2,0 Pa – dla kanałów bytowo-gospodarczych i przemysłowych,
• t_min ≥ 1,5 Pa – dla kanałów

Dla małych kątów(a) pochylenia dna kanałów(i ≈sin a), naprężenia ścinające wynoszą: t = g · R_h · h_Rh · i [16].

W przypadku kanału o przekroju kołowym (o średnicy D) otrzymamy:

(16)

gdzie:

t – naprężenia ścinające [Pa],

g – ciężar właściwy cieczy (wody/ścieków) [N/m³],

D – średnica wewnętrzna przewodu/kanału [m],

R_hn – promień hydrauliczny przy częściowym wypełnieniu kanału (tzw. normalnym) [m],

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

i – spadek dna [–].

Stąd ogólnie, np. dla kanałów o przekroju kołowym (o średnicy D), spadek minimalny:

(17)

Przykładowo, dla kanałów deszczowych (t_min = 1,5 Pa):

(18)

Z obliczeń hydraulicznych wg wzoru 18 dla kanału deszczowego, np. o średnicy D = 0,30 m, otrzymamy dla względnych wypełnień:

• h/D = 10% (R_h/R_hn = 3,936) – i_min = 0,0080 = 8,0‰,
• h/D = 20% (R_h/R_hn = 2,073) – i_min = 0,0042 = 4,2‰,
• h/D = 30% (R_h/R_hn = 1,462) – i_min = 0,0030 = 3,0‰,
• h/D = 40% (R_h/R_hn = 1,167) – i_min = 0,0024 = 2,4‰,
• h/D = 50% (R_h/R_hn = 1,000) – i_min = 0,0020 = 2,0‰,
• h/D = 75% (R_h/R_hn = 0,829) – i_min = 0,0017 = 1,7‰,
• h/D = 100% (R_h/R_hn = 1,000) – i_min = 0,0020 = 2,0‰.

Tak wyliczane spadki (i_min) spełniają kryterium hydromechaniczne samooczyszczania się kanałów, co jest szczególnie ważne dla małych wypełnień (i średnic) kanałów, tj. dla małych strumieni objętości. Dla względnych wypełnień h/D < 0,30, minimalne spadki dna kanałów są więc znacznie większe od wyliczanych z formuły Imhoffa (13): i_min = 1/D. Przykładowo, dla D = 0,30 m, i_min = 1/0,30 = 3,3‰ (przy czym dla D ≥ 1,0 m, i_min = 1,0‰), czy też z warunku zachowania u_min = 0,80 m/s – przy całkowitym wypełnieniu, wówczas i_min(0,80) = 3,4‰ dla n = 0,013 s/m^1/3 [2]. Przewyższenia tych wartości spadków względem 1/D dla D = 0,30 m – w wyżej podanym zestawieniu wyróżniono. Wykazał to Suligowski dla różnych średnic kanałów [15]. Formuła 13 nie ma więc praktycznego zastosowania dla względnych wypełnień kanałów deszczowych mniejszych od 30%. Natomiast dla względnych wypełnień h/D > 0,30, spad- ki i_min wg kryterium hydromechanicznego (18) są nieco mniejsze niż wyliczone z 13, jako i_min = 1/D.

Maksymalny spadek dna kanałów deszczowych (i_max) powinien wynikać z warunku nieprzekraczania prędkości maksymalnej u_max = 5,0 m/s – w warunkach całkowitego wypełnienia danego przekroju (średnicy) kanału. Przykładowo dla D = 0,30 m, i_max(5,0) = 132,5‰.

Spadek maksymalny dna kanałów ściekowych powinien wynikać z warunku nieprzekraczania prędkości maksymalnej u_max = 3,0 m/s – przy całkowitym wypełnieniu danej średnicy kanału. Przykładowo, dla D_min = 0,25 m, i_max(3,0) = 60‰.

Według zaleceń DWA-A118 z 2006 r. [18], kanały deszczowe należy dobierać na niecałkowite wypełnienie, tj. maksymalnie do 90% przepustowości całkowitej (Q_c) danego przekroju kanału (np. kołowego o średnicy D) przy danym spadku dna, czyli dla względnych wypełnień:

• h/D < 0,75 – dla kanałów o przekroju kołowym (o średnicy D);
• h/H < 0,79 – dla kanałów jajowych (o wysokości przekroju H = 1,5 B);
• h/H < 0,72 – dla kanałów dzwonowych (o wysokościprzekroju H = 0,85 B;

gdzie B oznacza szerokość przekroju w tzw. pachach).

Kanały ściekowe należy natomiast dobierać na względne wypełnienia: 0,5 < h/D < 0,7 [1, 2, 18]. Odpowiada to czynnej przepustowości przekroju kołowego od 50% do 83% względem całkowitej przepustowości Q_c danego kanału o danym spadku dna. Pozostaje więc rezerwa na przyszłościowy rozwój, wynosząca od 50% Q_c do 17% Q_c, którą należy przyjmować w zależności od ważności kanału w systemie, tj. większe wartości rezerwy dla głównych kanałów – kolektorów.

Biorąc pod uwagę prognozowany wzrost intensywności opadów w przyszłości, jako minimalną średnicę kanałów deszczowych w miastach, zaleca się obecnie przyjmować D = 0,40 m, a tylko w uzasadnionych przypadkach można stosować jak dotychczas D = 0,30 m – na początkowych odcinkach sieci, przy znacznych spadkach terenu. Wynika to z przeprowadzonych symulacji komputerowych dla przyszłych obciążeń opadami [wg 2].

Jako minimalną średnicę kanałów bytowo-gospodarczych i przemysłowych (ściekowych) w miastach zaleca się obecnie D = 0,25 m – wg DWA-A 118:2006 [18]. W uzasadnionych przypadkach dopuszcza się nadal D = 0,20 m – na początkowych odcinkach sieci, przy znacznych spadkach terenu i luźnej zabudowie.

5. Podsumowanie i wnioski końcowe

W pracy zaprezentowano aktualny stan wiedzy w zakresie obliczeń hydraulicznych przewodów i kanałów, niezbędnych do bezpiecznego wymiarowania systemów odwodnień terenów, zgodnie z najlepszą dostępną wiedzą techniczną (BAT). Towarzyszyć temu powinna aktualna wiedza w zakresie obliczeń bilansowych miarodajnych strumieni objętości odpływu ścieków i wód opadowych w perspektywie 50–100 lat żywotności kanałów [1, 2].

Przytoczone informacje podkreślają wagę i znaczenie obliczeń sprawności hydraulicznej kanałów dla prawidłowego funkcjonowania sieci, a zarazem uzasadniają konieczność ich wykonywania już na etapie koncepcji programowo-przestrzennych (KPP), a zwłaszcza w projektach budowlanych (PB) czy budowlano-wykonawczych (PBW), co jest jednak często pomijane i prowadzi do błędów w sztuce inżynierskiej. Przykładowo, projektanci dobierają czasami „świadomie” większe średnice kanałów (wówczas są mniejsze spadki minimalne), dążąc za wszelką cenę do wypłycenia kanalizacji, co jest błędnym rozwiązaniem i drogim w późniejszej eksploatacji systemu. Podobnie, stosowanie niewłaściwych wzorów obliczeniowych do wymiarowania kanałów (np. Bazina, który zawyża wyniki obliczeń u i Q względem formuły Manninga), jak i dobór (na tej podstawie) zbyt małych przekrojów, prowadzić może do częstych przepełnień kanałów – wylewów, a w rezultacie podtopień terenów.

Praca pozwala na sformułowanie następujących wniosków końcowych:

• Norma PN-EN 752 zaleca do obliczania przepływów cieczy w przewodach/kanałach ściekowych/deszczowych stosowanie uniwersalnego wzoru Colebrooka-White’a, w zapisach 5 i 6 – z zastępczą chropowatością (k).
• Do obliczeń hydraulicznych przewodów/kanałów ściekowych/deszczowych, dla przepływów równomiernych i ustalonych w strefie kwadratowego prawa oporów, norma PN-EN 752 dopuszcza stosowanie wzoru Manninga, w nowej postaci (11) – z zastępczą chropowatością (k).
• W inżynierskim opisie przepływów w III strefie, dostatecznie dokładne są postacie 8 i 12 wzoru Manninga – ze współczynnikiem szorstkości n (lub K). Wzory te są najczęściej stosowane w praktyce, zwłaszcza do wymiarowania kanałów deszczowych, zarówno zamkniętych o kształtach cylindrycznych (np. o przekroju kołowym bądź zbliżonym), jak i otwartych – o kształtach pryzmatycznych (np. o przekroju prostokątnym bądź zbliżonym). Wówczas przyjmuje się, że niedokładności obliczeń hydraulicznych mieszczą się w klasie dokładności wyjściowych danych hydrologicznych (Q) przyjmowanych do obliczeń.
• Grawitacyjne przewody/kanały do transportu ścieków/wód deszczowych, mieszanin ciał stałych i cieczy, powinny być projektowane z odpowiednim spadkiem dna (i ≥ imin), tak aby możliwy był transport zanieczyszczeń zawartych w ściekach, w tym rumosz wleczony przy dnie, jak również rozmywanie już odłożonych złogów czy osadów dennych.
• Dla prefabrykowanych kanałów betonowych o kształtach cylindrycznych (tj. o przekroju kołowym, kołowym wydłużonym, kołowym podwyższonym, jajowym itp.) właściwe są następujące parametry do obliczeń hydraulicznych: k ≥ 1,5 mm – do wzorów 5, 6 i 11, bądź K ≤ 70 m^1/3/s (n ≥ 0,014 s/m^1/3) – do wzoru 12. Dobór przekrojów kanałów – do 90% przepustowości całkowi- tej (Qc) danego przekroju, dla danego spadku dna i ≥ imin. Ze względu na zmiany klimatu, w hydraulicznym wymiarowaniu grawitacyjnych kanałów deszczowych równie ważne stają się obecnie obliczenia hydrologiczne [1, 2, 19-22], odnośnie miarodajnych strumieni objętości wód opadowych (Q), zwłaszcza prognozowanych na przyszłość, co ma niewątpliwie wpływ na racjonalny dobór przekrojów i spadków dna kanałów, obecnie projektowanych i budowanych systemów odwodnień terenów zurbanizowanych.

6. Literatura

[1] Kotowski A., Kaźmierczak B.: Zalecenia metodyczne do obliczeń projektowych kanalizacji rozdzielczej. Technologia Wody 2019, nr 1, s. 36-45.

[2] Kotowski A.: Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnień terenów. Sieci kanalizacyjne (T. I); Obiekty specjalne (T. II). Seidel-Przywecki, Warszawa 2011 (wyd. I), 2015 (wyd. II).

[3] PN-EN 752:2000/2001: Zewnętrzne systemy

[4] PN-EN 752:2008: Drain and sewer systems outside

[5] PN-EN 752:2017: Drain and sewer systems outside buildings – Sewer system management.

[6] Arbeitsblatt ATV-DVWK – A110: Richtlinien für die hydraulische Dimensionierung und den Leistungs-nachweis von Abwasserka- nälen und – Leitungen. Gfa, Hennef

[7] Hager : Abwasserhydraulik. Springer Verlag, Berlin 1994.

[8] White M.: Fluid Mechanics. McGrow – Hill, Boston 2008.

[9] Kotowski : Analiza hydrauliczna zjawisk wywołujących zmniejszenie przepływności rurociągów. Ochrona Środowiska 2010, vol. 32, nr 1, s. 27-32.

[10] Grabarczyk : Metody hydraulicznego obliczania przewodów kanalizacji ciśnieniowej. Mat. III Konf. nt.: Sieci kanalizacyjne, pompownie i oczyszczalnie ścieków na terenach niezurbanizowanych. Piła – Bydgoszcz 2000.

[11] Błaszczyk , Roman M., Stamatello H.: Kanalizacja. Tom I. Wyd. Arkady, Warszawa 1974.

[12] Regelblatt 5 – OWWW: Richtlinien für die hydraulische Berech- nung von Abwasserkanälen. Österreichischer Wasserwirtschafts Verein (OWWW), Wien.

[13] SIA 190/SIA 38/SIA 40: Kanalisationen. Sonderbauwerke. Schweizerischer Ingenieur – und Architekten-Verein, Zürich.

[14] Dąbrowski : Oddziaływanie sieci kanalizacyjnych na środowisko. Monografia. Wydaw. Politechniki Krakowskiej, Kraków 2004.

[15] Suligowski : Samooczyszczanie przewodów kanalizacyjnych. Instal 2010, nr 2, s. 48-53.

[16] Kotowski : Podstawy wymiarowania bocznych przelewów burzowych z rurą dławiącą. Oficyna Wyd. Politechniki Wrocławskiej 1998.

[17] Zarządzenie nr 20 Ministra Gospodarki Komunalnej z dnia 30 czerwca 1965 : Wytyczne techniczne projektowania miejskich sieci kanalizacyjnych. Dz. Bud. Nr 15 z dn. 7 grudnia 1965 r.

[18] Arbeitsblatt DWA-A118:2006: Hydraulische Bemessung und Na- chweis von Entwässerungs-systemen. DVWK, Hennef

[19] Kotowski , Kaźmierczak B., Licznar P.: Wybrane problemy projektowania i modelowania odwodnień terenów. Instal 2018, nr 5, s. 56-61.

[20] Licznar , 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.

[21] Nowakowska , Kaźmierczak B., Kotowski A., Wartalska K.: Identyfikacja, kalibracja i walidacja hydrodynamicznego modelu systemu odwadniającego tereny miejskie na przykładzie Wrocławia. Ochrona Środowiska 2017, vol. 39, nr 2, s. 51-60.

[22] Nowakowska , Wartalska K., Kaźmierczak B., Kotowski A.: Verification of the stormwater drainage system overloads in Wroclaw for an assessment of climate change effects. Periodica Polytechnica. Civil Engineering 2019, s.1-6.

prof. dr hab. inż. Andrzej Kotowski dr inż. Bartosz Kaźmierczak

dr inż. Monika Nowakowska mgr inż. Katarzyna Wartalska

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 3/2019