Retencja kanałowa. Obniżanie maksymalnego odpływu ścieków opadowych

Do chwili powstania utwardzonej zlewni, jaką jest droga, dotychczasowy teren rodzimy w postaci pól uprawnych, łąk, nieużytków czy lasu charakteryzował się możliwością odbioru opadów poprzez infiltrację do gruntu, a tylko część odpływała do pobliskich rowów i rzek. Powstające wody nie tworzyły ścieków w rozumieniu Prawa wodnego, były zagospodarowywane w sposób naturalny i rzadko musiał interweniować tu człowiek. Podstawowy parametr rodzimego terenu, tj. współczynnik odpływu φ, wynosił 0,05–0,20 i określony był jako stosunek ilości wody odbieranej przez pobliski rów czy rzekę do całkowitego opadu, tj.:

gdzie:
Q₁ – opad odebrany przez grunt,
Q_c – opad całkowity.

Pojawienie się szerokiej betonowej lub asfaltowej nawierzchni spowodowało wzrost tego współczynnika do wartości 0,95-0,99, czyli średnio 5–6-krotny. Najlepiej zilustrować to na przykładzie: 1 km drogi szybkiego ruchu lub autostrady obejmuje 2 jezdnie, każda z nich ma po 3 pasy. Uwzględniając utwardzone pobocze, pas drogowy tworzy zlewnię o szerokości b = 40 m. Zatem 1 km takiej drogi oznacza powierzchnię F = 1000 × 40 = 4 ha.

Obowiązujące przepisy związane z drogownictwem narzucają ostre warunki dotyczące przyjmowania miarodajnego opadu do obliczeń, tj. tzw. deszczu 10-letniego. Dla tych warunków spływ wynosi: q = 160 l/s × ha. Dla warunków przeciętnych wynosi on 100–110 l/s × ha. Przyjmując φ = 0,95, otrzymamy qo = 4 × 160 × 0,95 = 608 l/s.

W przeciwieństwie do naturalnej zlewni, której odpływ zaliczany był do wód opadowych, w przypadku utwardzonej drogi obciążonej ruchem pojazdów osobowych i ciężarowych mamy do czynienia ze ściekami opadowymi w ilości blisko 5-krotnie wyższej niż w warunkach naturalnych. Zgodnie z Prawem wodnym ścieki te wymagają podczyszczenia z osadów i substancji ropopochodnych, a na ich odprowadzanie do odbiornika wymagane jest zezwolenie wodno-prawne wydane przez marszałka województwa.

Droga szybkiego ruchu lub autostrady obejmuje odcinki proste, węzły drogowe i mosty. Odwodnienie odcinków prostych odbywa się przy pomocy rowów otwartych ułożonych na poboczu z prawej strony, lewą stronę stanowi pas oddzielający oba kierunki. Drogi przebiegające na obrzeżach miast mogą być odwadniane wpustami drogowymi, które ścieki opadowe kierują do kanalizacji miejskiej.

Przykładem takiego rozwiązania są odcinki Trasy Toruńskiej w Warszawie [1]. W zależności od warunków lokalnych odpływ z rowów kierowany jest do zbiorników retencyjnych, separatorów poprzedzonych tzw. bypassem, tj. urządzeń kierujących 15% maksymalnego spływu do separatora, pozostałe 85% omija go. Rów może kierować odpływ do pompowni, gdy wymóg taki wynika z warunków lokalnych. Np. na wspomnianej Trasie Toruńskiej zastosowano trzy pompownie o przepustowości od 100 do 600 l/s.

System retencji kanałowej

Sytuacja komplikuje się w przypadku węzłów i skrzyżowań np. z linią kolejową, gdzie nie można wykonać rowów otwartych. W tych miejscach odbiór ścieków odbywa się wpustami drogowymi. W zależności od warunków lokalnych dolny odpływ może być grawitacyjny lub przy wykorzystaniu pompowni. Oprócz zebrania opadów, konieczności podczyszczenia i dalszego transportu do odbiornika pojawia się problem ograniczenia maksymalnego odpływu części tzw. retencji. Najczęściej wymóg taki stawiają: zarządcy kanalizacji miejskiej, zarządcy rowów melioracyjnych i zarządy gospodarki wodnej w przypadku zrzutu ścieków do wód otwartych (rzek).

Konieczność zastosowania retencji komplikuje infrastrukturę kanalizacyjną, co sprowadza się do wzrostu kosztów inwestycji. Powszechnie stosowane są zbiorniki otwarte, jednak aby spełniły one swoją funkcję, muszą współpracować z pompownią. Zbiornik otwarty wymaga miejsca, w którym będzie go można postawić (ogrodzony teren o wymiarach ok. 30 × 30 m), co, jak pokazuje praktyka, jest w wielu wypadkach trudne, a nawet wręcz niemożliwe do wykonania. Trzeba zatem szukać innych rozwiązań.

Z tego powodu zwrócono uwagę na urządzenia hydrotechniczne, jakimi są zbiorniki retencyjne na rzece, po spełnieniu następujących warunków: obwałowania na odcinku zasięgu cofki i przegrodzenia jej biegu w wybranym miejscu przez zbudowanie zapory połączonej z jazem. Ta analogia w przypadku sieci kanalizacji deszczowej, tj. kanału zamkniętego podziemnego, pozwala wykorzystywać kanał, powiększając jego średnicę i tworząc na nim przegrody. Ściany kanału tworzą „obwałowanie”. Budowa zbiornika na rzece nie wymaga jej poszerzenia i jej lokalizacja pozostaje niezmienna.

Z kolei w pasie przeznaczonym na sieć kanalizacyjną jest przeważnie zarezerwowane miejsce na ułożenie kanału kanalizacji deszczowej o średnicy nie mniejszej niż d = 250 mm. Stworzenie retencji kanałowej wymaga zagwarantowania dwóch parametrów: średnicy [d] i długości [l]. Długość narzuca lokalizacja ostatniego wpustu ulicznego. Objętość właściwa V = l × fk, gdzie fk = f (d2). Pas ten nie jest limitowany i możliwa jest lokalizacja kanału d = 250, jak też kanału o większej średnicy.

Obliczenia retencji

W jednym z rozpatrywanych przypadków ilość ścieków opadowych, które mógł przyjąć zarządca kanalizacji, wynosiła q_dop = 30 l/s. Warunki lokalne uniemożliwiały zastosowanie zbiornika z pompownią. Kanał o średnicy [d] i długości [l] tworzy pewną objętość. W dolnej części zaprojektowano otwór [do], który umożliwia odpływ kontrolowany ścieków. Rozwiązanie tego odpływu może być dwojakie:

• odpływ swobodny wynikający z praw hydrauliki q = f (do, h),

• odpływ regulowany urządzeniem fabrycznym [4]. Jak wykazała analiza, odpływ „fabryczny” opiera się na hydraulice, z tym że ma on nazwę katalogową. Odpływy takie są zależne od [h], czyli spiętrzenia ścieków w kanale, a zależność ta wynosi h^0,5. W praktyce [h] mieści się w przedziale 1–2 m.

Do obliczeń przyjęto υ = 4 × h^0,5. Zasadę działania retencji kanałowej przedstawiono na rys. 1. Obliczenia retencji:

• q = 400 l/s,

• q_dop. = 30 l/s,

• czas trwania opadu t = 15 min, tj. ok. 1000 s,

• objętość opadów V = 1000 × 400 = 400 m³.

• długość kanału stanowiącego retencję l = 300 m,

• objętość jednostkowa kanału wynosi:

• retencja kanału wynosi: V_r = 0,785 m³/mb × 300 m = 235 m³.

Dla tych warunków wymagany jest kanał o długości d = 1400 mm. Wprawdzie artykuł dotyczy retencji kanałowej, ale należy dodać, że można włączyć do współpracy również retencję powierzchniową [1]. Zlewnia dla tego obiektu wynosi F = 4 ha. Nie stanowi ona płaskiej nawierzchni, gdyż występują na niej spadki poprzeczne i podłużne, a lustro wody w czasie opadów nie jest jednolite pod względem wysokości. Nie popełnimy większego błędu, jeśli przyjmiemy średnią wysokość. Brakująca objętość wynosi zatem: V_b = 400 – 235 = 165 m³.

Obliczeniowa, umowna wysokość warstwy wyniesie:

Przyjmując współczynnik zapasu n = 2, otrzymamy h = 8 mm. Jest to wielkość trudna do pomiaru, niezauważalna [2, 3]. Średnicę odpływu ze względów eksploatacyjnych przyjęto na poziomie d = 100 mm.

Pozostałe wartości:υ = 4,0 × h^0,5
h = 6,5 – 5,0 = 1,5 m
υ = 4,0 × 1,22 = 4,9 m/s
q = 38 l/s

W miarę upływu czasu wartość h maleje, w związku z czym zmniejsza się chwilowy odpływ (tab. 1).

Odpływ średni q_sr = 0,5 × q_max = 20 l/s. Umowny czas opróżnienia zbiornika wynosi:

Należy podkreślić, że bez względu na tok obliczeń podczas opadu na ulicy występuje warstwa wody, co wynika m.in. z bezwładności występującego odpływu. Zakładając wyższą wartość warstwy wody, można przyjąć mniejszą średnicę kanału, co wpływa na koszty inwestycji.

Nie można jednak pominąć słabych stron tej metody. Powstały zbiornik tworzy specyficzny piaskownik i piasek będzie się osadzał na dnie, co w skrajnym przypadku może zamknąć odpływ. Aby do tego nie dopuścić, należy w przegrodzie wykonać dodatkowe otwory na różnej wysokości. Powiększy to odpływ do kanalizacji miejskiej. Zarówno zbiornik otwarty z pompownią, jak i kanał wymagają okresowych przeglądów, m.in. usuwania piasku. Właściwie dobrane wpusty z osadnikiem zapobiegają zwiększonemu zapiaszczeniu kanału. Zjawisko wytrącania się piasku i osadów występuje w skali makro w przypadku zbiorników zlokalizowanych na rzekach i, jak powszechnie wiadomo, stwarza poważne problemy.

Podsumowanie

Przedstawione rozwiązanie retencji wydaje się stosunkowo prostym i tanim sposobem ograniczenia maksymalnych odpływów z deszczu, które w ostatnich latach mają często postać bardzo nawalnych opadów. Eksploatacja wniesie najprawdopodobniej cenne uwagi do tego systemu. Z kolei warstwa wody pozostała na jezdniach spłynie po stosunkowo krótkim czasie i niedogodność ta zostanie szybko usunięta.

Literatura

1. Bajena A., Chlipalski J., Projekty budowlane dotyczące kanalizacji deszczowej przebudowy Trasy Toruńskiej i węzła „Marsa” w Warszawie, Transprojekt-warszawa Sp. z o.o., 2009–2010.

2. Chlipalski J., Zastosowanie retencji powierzchniowej w drogownictwie, „Drogownictwo” nr 6/2009.

3. Chlipalski J., Sposób odwodnienia placów, parkingów i osiedli mieszkaniowych. Zmniejszenie odpływu ścieków opadowych przez wykorzystanie retencji, „Drogownictwo” nr 10/2004.

4. Dławienie przepływu i ochrona powodziowa podczas deszczy nawalnych. Zastosowanie działających bez energii zewnętrznej hydromechanicznych urządzeń do regulacji przepływu, materiały firmy bgu-Umweltschutzanlagen GmbH.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!