Urządzenia do infiltracji wód opadowych

W najbliższej przyszłości tego typu rozwiązania powinny być stosowane coraz częściej także w Polsce. Obecnie projektowanie systemów infiltracyjnych opiera się przede wszystkim na wytycznych, mniej lub bardziej uproszczonych, podawanych przez producentów poszczególnych rozwiązań technicznych (dostępnych na rynku jest już kilkanaście różnych technologii).

Krzywe natężenia deszczu wg IMiGW

W uproszczonych metodach wymiarowania zazwyczaj zaleca się przyjmowanie opadów o natężeniach w zakresie 100÷150 l/sha i czasach trwania 10÷15 min. (wyjątkowo 30 min.). Przyjmowanie wyłącznie krótkich czasów trwania deszczu musi budzić zastrzeżenia, ponieważ dla urządzeń retencyjnych znaczenie ma iloczyn czasu i natężenia deszczu, czyli objętość jednostkowa odniesiona do 1 ha powierzchni szczelnej.

Poznaj modele opadów do bezpiecznego projektowania kanalizacji »

W zależności od relacji natężenia dopływu wód do dynamiki procesu infiltracji, deszcz krytyczny (najbardziej niekorzystny) będzie miał inne parametry. W wielu przypadkach może okazać się, że to właśnie deszcze o mniejszym natężeniu, ale dłuższym czasie trwania, będą bardziej niekorzystne od krótkich opadów nawalnych, które cechuje mniejsza całkowita objętość opadu.

Dla urządzeń infiltracyjno-retencyjnych, zależność ta będzie mieć tym większy wpływ, im mniejszą wartość będzie miał współczynnik filtracji. Dlatego też do określenia wymaganej pojemności retencyjnej należy przeanalizować szereg opadów o zmiennych parametrach, tzn. natężenie, czas trwania, prawdopodobieństwo wystąpienia. W literaturze można znaleźć przynajmniej kilka wzorów uwzględniających te trzy zmienne parametry, m.in. wzór Lambora, Wołoszyna, Pomianowskiego, Błaszczyka (Licznar i in. [6]). W praktyce najczęściej stosowany jest wzór Błaszczyka [9], który został opracowany na podstawie danych z wybranych 67 lat okresu sprzed 1959 r. dla miasta Warszawy.

Zachodzące w ostatnich dziesięcioleciach zmiany klimatyczne w sposób zauważalny zmieniają charakterystyki opadów, dlatego uzasadnione jest oparcie metod wymiarowania o dane bardziej aktualne, obejmujące więcej stacji pomiarowych. Tego typu opracowanie zostało wykonane w końcu lat 90. [1] – na podstawie ogólnopolskich danych z lat 1960÷1990 opracowano formułę do określania wysokości opadu deszczu o czasie trwania T i prawdopodobieństwie wystąpienia p:

 gdzie:

T – czas trwania deszczu [min.],

p – prawdopodobieństwo wystąpienia deszczu, α – współczynnik geograficzny, zależny od położenia miejscowości (obliczany w oparciu o wzory z tab. 1).

Graficznym obrazem tej zależności są tzw. krzywe natężenia opadów, zwane też krzywymi IDF (ang. intensity-duration-frequency), które przedstawiono na rys. 1.

Linia podziału regionalnego przebiega w przybliżeniu w osi miast: Poznań – Toruń – Olsztyn. Region centralny nie obejmuje obszaru Sudetów i Karpat, przede wszystkim miejscowości położonych na południe od Krakowa i Rzeszowa. Zarówno wzory, jak i podział na regiony zmienia się istotnie przy opadach dłuższych niż 12 h, jednak w przedmiotowych rozważaniach opady te nie były uwzględniane.

Dowiedz się, jak dobrać system rozsączający »

Należy podkreślić, że zdecydowanie najlepszym materiałem do statystycznej analizy opadów atmosferycznych jest bazowanie na danych dla konkretnej miejscowości przy uwzględnieniu odpowiednio długiego okresu pomiarowego (10 lat). Problemem w tym przypadku jest zazwyczaj brak tego typu danych, jak i jakość (ciągłość, rozdzielczość) ewentualnie dostępnych danych. Ponadto należy uwzględnić czasochłonność procesu opracowywania tak dużego zbioru danych oraz fakt, że surowe dane hydrologiczne wymagają pewnego doświadczenia w zakresie ich interpretacji dla potrzeb wymiarowania urządzeń do odwadniania zlewni zurbanizowanych.

 W oparciu o istniejące modele hydrodynamiczne dla sieci kanalizacyjnych możliwe jest prowadzenie symulacji długotrwałych opartych na danych historycznych. Dzięki temu możliwe jest określenie częstotliwości przepełniania urządzeń do retencji i infiltracji wód opadowych z dużo większą dokładnością niż przy zastosowaniu metod uproszczonych, bazujących na uniwersalnych krzywych IDF. Ponadto możliwe jest przeanalizowanie dużej liczby wariantów wykonania danego układu w krótkim czasie. Podstawową wadą tej metody jest duża czasochłonność procesu wykonania i kalibracji modelu.

Bez względu na wybór metody wymiarowania problemem pozostaje kwestia jakości wód opadowych dopływających do systemów infiltracyjnych. W przypadku występowania zbyt dużej ilości zawiesin nawet najbardziej złożone modele mogą okazać się zawodne w określeniu sprawności urządzeń infiltracyjnych [2].

Metoda wymiarowania urządzeń do infiltracji wód opadowych

Bez względu na przewidywany w projekcie typ urządzeń infiltracyjnych warunkiem koniecznym jest występowanie odpowiednio dobrych warunków hydrogeologicznych oraz zachowanie minimalnych odległości od budynków (częsty problem na terenach miejskich). W literaturze jako minimalną wartość dopuszczalną do stosowania jest współczynnik filtracji równy 10^–6 m/s [8], choć zazwyczaj zaleca się, by była to wartość zbliżona do 10^–5 m/s. W analizie założono, że minimalna wartość współczynnika filtracji wynosi 5 · 10^–6 m/s, zaś maksymalna 10^–3 m/s. W tab. 2. przedstawiono wartości współczynnika filtracji dla różnego rodzaju gruntów nasyconych (nie uwzględniano gruntów ilastych, gliniastych i pylastych).

Przeczytaj artykuł nt. odprowadzania wód opadowych systemami do podziemnej retencji i infiltracji »

W wytycznej ATV-138 [5] zaleca się przyjmowanie do obliczeń wartości współczynnika filtracji jako połowy wartości zmierzonej dla gruntu nasyconego (k_f = 0,5 k_n), co faktycznie nie odzwierciedla dynamicznych zmian wartości współczynnika w czasie (w początkowej fazie infiltracji ma on wartości znacząco większe), jak i zmian wywołanych procesem kolmatacji [3 i 7]. Wymaganą pojemność retencyjną oblicza się na podstawie wzoru [5]:

gdzie:

F_ZR – przyłączona powierzchnia zredukowana [ha],

F_INF – powierzchnia przeznaczona do infiltracji wód opadowych [ha],

q_T,c – natężenie deszczu obliczeniowego [l/(s ha)],

k_f – współczynnik filtracji w strefie nasyconej [m/s],

T – czas trwania deszczu [min.].

Wzór ten nie uwzględnia wpływu napełnienia wody w urządzeniu chłonnym, zatem powinien być zalecany dla urządzeń o napełnieniach do 1 m. Przy większych napełnieniach będzie on dawał wartości zawyżone o ok. 10÷20% w zależności od współczynnika k_f .

Dla ustalonej powierzchni przeznaczonej pod infiltracje oraz przyłączonej powierzchni zredukowanej można obliczyć bezwymiarowy udział powierzchni infiltracyjnej f_INF:

gdzie:

F_TOT – całkowita powierzchnia odwadniana (F_ZR+F_INF).

Jeżeli urządzenia do infiltracji są umieszczone pod powierzchnią szczelną (np. pod powierzchnią parkingu), to wtedy F_TOT = F_ZR. Obliczanie f _INF komplikuje się w przypadku, gdy urządzenia do infiltracji cechują się dużą wysokością (np. 2 m), ponieważ nie można wtedy pominąć udziału powierzchni bocznych. Powierzchnia infiltracyjna F_INF będzie wtedy równa:

gdzie:

F_D – powierzchnia dna urządzenia infiltracyjnego [m²],

F_S – powierzchnia ścian bocznych urządzenia [m²],

h – napełnienie chwilowe w urządzeniu [m],

O_INF – obwód urządzenia [m].

Ponieważ przy zmiennym napełnieniu wody w urządzeniu powierzchnia infiltracyjna będzie zmienna, to do obliczeń szacunkowych można przyjąć powierzchnię F_S przy napełnieniu równym połowie napełnienia maksymalnego. 

W analizie przyjęto zakres wartości f_INF od 0,01 do 0,6, co powinno uwzględniać zdecydowaną większość przypadków projektowych. Dla zdefiniowanych krzywych IDF poszukiwano maksymalnej wymaganej pojemności retencyjnej dla zmiennego udziału f INF oraz różnych wartości F współczynnika filtracji k_f . Analizę przeprowadzono dla częstotliwości występowania deszczu krzywych c = 1, 2, 5 i 10 lat.

Przeczytaj artykuł nt. zagospodarowania spływów opadowych za pomocą systemów bioretencji »

W efekcie otrzymano wykresy (nomogramy) umożliwiające wyznaczenie wymaganej jednostkowej pojemności retencyjnej VJ_INF J dla urządzeń do infiltracji wód opadowych, F wyrażonej w dm³/m² (objętość odniesiona do 1 m² powierzchni odwadnianej).  Całkowitą wymaganą pojemność uzyskuje się po wymnożeniu pojemności jednostkowej przez przyłączoną powierzchnię zredukowaną F_ZR . Dla większych układów bardziej wygodną w użyciu jednostką będzie m³/ha – uzyskujemy ją mnożąc przez 10 odczytany z nomogramu wynik.

 Zgodnie z przewidywaniami okazało się, że dla gruntów o słabej przepuszczalności maksymalna wymagana pojemność była uzyskiwana dla opadów o dłuższym czasie trwania i niewielkim natężeniu. Przykładową zależność pomiędzy współczynnikiem filtracji gruntu a miarodajnym czasem do wymiarowania urządzenia dla różnych wartości c przedstawiono na rys. 6. (dla f_INF = 0,1).

Jak widać założenie krótkich czasów trwania deszczu do wymiarowania urządzeń infiltracyjnych będzie słuszne dla gruntów charakteryzujących się współczynnikiem filtracji większym niż 10^–4 m/s. Dla gruntów słaboprzepuszczalnych opady krytyczne charakteryzują się kilkugodzinnym czasem trwania.  Analizując uzyskane wartości dla zmiennej c warto zauważyć, że przy znaczącym wzroście niezawodności działania urządzenia np. z c = 2 la ta do c = 10 lat (5-krotnie mniejsza częstotliwość statystycznego przepełnienia zbiornika) wymagana objętość jest przeciętnie 2-krotnie większa (rys. 7.). Dlatego też każdorazowo warto rozpatrywać wariant uwzględniający deszcz o 10-proc. prawdobieństwie wystąpienia, gdyż może się okazać, że będzie on tylko nieznacznie droższy od wariantów dla większej częstotliwości przepełniania urządzeń (c = 2 lub 5 lat).

Dowiedz się, jak wykorzystać wody opadowe w budynkach »

Dla niektórych typów urządzeń infiltracyjnych relacja pomiędzy powierzchnią infiltracyjną a jednostkową pojemnością jest stała. Na przykład pojedyncza komora drenażowa Infiltrator ma powierzchnię 1,634 m² oraz pojemność 0,462 m³. Zatem po określeniu na podstawie nomogramu wymaganej jednostkowej pojemności retencyjnej dla przyjętego początkowo f_INF otrzymujemy: 

V = VJINF · FZR [m³] następnie oblicza się wymaganą liczbę komór:

n = v / 0,46

rzeczywistą powierzchnię infiltracyjną:

F_INF = n · 1,634

oraz rzeczywisty udział powierzchni infiltracyjnej w powierzchni odwadnianej:

f_INF = F_INF / F_ZR

 Należy porównać wartość założoną otrzymaną z obliczeń; jeżeli rozbieżność jest zbyt duża, należy obliczenia powtórzyć aż do uzyskania satysfakcjonującej różnicy (tzw. metoda kolejnych przybliżeń). Podobnie tok obliczeń można przeprowadzić dla większości urządzeń chłonnych, nawet jeśli stosunek objętość/powierzchnia nie jest stały (np. układy budowane ze skrzynek rozsączających).

Podsumowanie

Z uwagi na rosnącą popularność urządzeń do infiltracji wód opadowych konieczne jest opracowanie bardziej szczegółowych metod ich wymiarowania. Proponowane w literaturze przyjmowanie do wymiarowania tych urządzeń wyłącznie krótkotrwałych opadów (10÷15 minut) jest zbytnim uproszczeniem, szczególnie w przypadku gruntów o gorszej przepuszczalności.

Jak wykazała analiza krzywych IDF opracowanych przez IMiGW w procesie projektowania powinny być uwzględniane także opady mniejszym natężeniu, ale dłuższym czasie trwania. Opracowane nomogramy umożliwiają szybkie określenie wymaganej pojemności retencyjnej na podstawie znanego współczynnika filtracji gruntu oraz stosunku powierzchni przewidzianej na infiltracje do całkowitej powierzchni odwadnianej.

Bazowanie na uniwersalnych krzywych IDF i współczynniku szczelności zlewni? jest nadal istotnym uproszczeniem opisu zjawiska opad-odpływ, dlatego też proponowana metoda powinna być stosowana przede wszystkim tam, gdzie brak jest szczegółowych danych o opadach atmosferycznych. W procesie projektowania dużą uwagę należy także poświęcić kwestii jakości dopływających wód opadowych, ponieważ nadmiernie zanieczyszczone wody mogą powodować, że nawet najbardziej precyzyjne obliczenia modelowe mogą okazać się błędne.

Artykuł został opracowany w ramach realizacji projektu badawczego finansowanego przez MNiSW nr N523 055 32/2127.

Literatura

1.  Bogdanowicz E. Stachy J., Maksymalne opady deszczu w Polsce. Charakterystyki projektowe, Materiały badawcze, Seria: Hydrologia i Oceanologia nr 23, IMiGW, Warszawa 1998.
2. Browne D., Deletic A., Mudd G., Fletcher T.D., A New model for stormwater infiltration systems. 6th Int. Conference on Sustainable Techniques and Strategies in Urban Water Management, Lyon 2007.
3. Burszta-Adamiak E., Łomotowski J., Badania kolmatacji gruntu w urządzeniach do infiltracji wód opadowych, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN vol. 46, Łódź 2007. 
4. Edel R., Odwodnienie dróg, WKŁ, Warszawa 2006. 
5. Geiger W., Dreisetl H., Nowe sposoby odprowadzania wód deszczowych, Projprzem-EKO, Bydgoszcz 1999.
6. Licznar P., Łomotowski J., Rojek M., Pomiary i przetwarzanie danych opadowych dla potrzeb projektowania i eksploatacji systemów odwodnieniowych, Futura, Poznań 2006.
7. Mermillod-Blondin F., Nogaro G., Gibert J., Clogging of infiltration basins by stormwater sediments: influence of invertebrate bioturbation. 6th Int. Conference on Sustainable Techniques and Strategies in Urban Water Management, Lyon 2007.
8. Suligowski Z., Infrastruktura kanalizacyjna w gospodarce komunalnej, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2006.
9. Błaszczyk W., Roman M., Stamatello H., Kanalizacja, Arkady, Warszawa 1974.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!