Ocena przepustowości sieci kanalizacyjnej

Sytuacje sporne będące konsekwencjami korzystania z niepełnowartościowych informacji prowadzą do konfliktów na styku odpowiedzialności projektanta, wykonawcy i eksploatatora sieci kanalizacyjnej.

Konsekwencją jest często konieczność opracowania w krótkim czasie koncepcji zawierającej analizę stanu istniejącego i alternatywne propozycje rozwiązania problemu. Analiza taka pomaga często wskazać z dużym prawdopodobieństwem stronę odpowiedzialną za usterkę.

Przykładem może być analiza przepustowości fragmentu sieci kanalizacyjnej Bolesławca. Po modernizacji fragmentu sieci w czasie opadów w maju 2007 r. kanalizacja przepełniła się i zalane zostały posesje przyległe do analizowanego odcinka sieci. Przy okazji prac związanych z opracowaniem koncepcji projektowej nastąpiło nieuniknione starcie „starego z nowym”.

Doświadczony projektant w razie takiego problemu korzysta zwykle ze swojego doświadczenia zawodowego popartego obliczeniami wykonanymi    w oparciu o stacjonarne metody szacowania natężenia przepływu. Z drugiej strony współczesność wymusza stosowanie metod numerycznych opartych na założeniu niestacjonarnych warunków przepływu.

Metody wymiarowania kanalizacji deszczowej

Wymiarowanie systemów kanalizacji deszczowej i ogólnospławnej wiąże się z trudnościami wynikającymi z braku wiarygodnego modelu opadów deszczu [1]. Najczęściej stosowany w polskich warunkach model Błaszczyka zaniża wyniki szacowania strumieni deszczy nawet o 40% [2].

Zdecydowanie bliższe rzeczywistości rezultaty, bezpieczniejsze z punktu widzenia zapewnienia odpowiedniego standardu odwodnienia terenu, uzyskuje się np. przy użyciu metody współczynnika opóźnienia stosowanej w Niemczech.

Niezależnie od zastosowanej metody zaleca się sprawdzenie systemu kanałów pod kątem ich maksymalnej przepustowości hydraulicznej na podstawie modelu symulacyjnego [1].

Modele hydrodynamiczne umożliwiają uwzględnienie zmiennych w czasie i przestrzeni rzeczywistych spływów wód opadowych, a także zmiennego, nieustalonego przepływu ścieków w kanałach i obiektach kanalizacyjnych. Z drugiej strony cykl przygotowania dokumentacji projektowej w Polsce jest na tyle krótki, że w momencie rozpisywania przetargu na jej opracowanie jest już zbyt późno na przygotowanie pełnowartościowego modelu symulacyjnego.

Działania takie powinny być jednym z głównych zadań przedsiębiorstw zarządzających systemami kanalizacyjnymi, nawet jeżeli w najbliższym okresie nie jest przewidywana rozbudowa czy modernizacja elementów sieci. W rezultacie często konieczne jest wykorzystanie modelu symulacyjnego umożliwiającego analizę przepływów w warunkach niestacjonarnych, obciążonego dopływami określonymi metodami klasycznymi.

Kłopotem jest w tej sytuacji wiarygodność tak postawionego problemu w konfrontacji z typowo klasycznym, opartym na szacowaniu warunków w analizowanych odcinkach kanałów przy użyciu nomogramów czy prostego oprogramowania do wykonywania obliczeń hydraulicznych sieci deszczowych.

Założenia modelu symulacyjnego

Bolesławiec (woj. dolnośląskie) zamieszkuje ok. 40 tys. mieszkańców. Zajmuje on obszar ok. 23,5 km². Analizowany kolektor zlokalizowany w ulicach Komuny Paryskiej, Kubika, Piaskowej i Małej jest świeżo zmodernizowany, dociążony dodatkową zlewnią ogólnospławną. Efektem błędów projektowych i wykonawczych jest przepełnienie kanałów i wydostawanie się ścieków na powierzchnię zlewni.

Analizowany model opracowany został przy wykorzystaniu programu Epa SWMM z uwzględnieniem założeń zaprezentowanych w opisach poszczególnych wariantów obliczeniowych.

Wariant I – przeciążony kolektor

Analogicznie do dyskusji prowadzonej w trakcie analizy sytuacji w Bolesławcu, przeprowadzono analizę warunków pracy przedmiotowego kolektora przy następujących założeniach:

• przekroje kanałów i rzędne dna przyjęto zgodnie z przeprowadzoną inwentaryzacją,
• dopływy ścieków przyjęto zgodnie z przeprowadzoną analizą wielkości i stanem zagospodarowania zlewni,
• oczekiwana przepustowość kanałów wynosi odpowiednio: kanał I-K1 – 2000 dm³/s; kanał K1-VIII – 3400 dm³/s,
• analizowany jest wycinek sieci zlokalizowany bezpośrednio przy terenie zalewanym w czasie opadów o znacznym natężeniu; kanały powyżej i poniżej analizowanego kolektora uwzględniono tylko w kontekście dopływów ścieków.

Graf analizowanego systemu przedstawiono na rys. 1. Obliczenia przeprowadzono przy użyciu [3]:

• modelu Steady Flow, najbardziej zbliżonego do manualnego szacowania warunków pracy w poszczególnych odcinkach przy użyciu wzorów teoretycznych lub nomogramów,
• modelu Dynamic Wave, najdokładniej oddającego zjawiska występujące w czasie przepływu kanałami, uwzględniającego w sposób akceptowalny pracę kanałów „pod ciśnieniem”, cofki itp.

Wyniki analiz przedstawiono w postaci profili kanałów z naniesionymi liniami ciśnień po ustabilizowaniu się przepływu. W obu przypadkach nie było możliwe uzyskanie oczekiwanych, wstępnie oszacowanych przepływów sięgających 3400 dm3/s na odcinkach K1-VIII:

• dla warunków stacjonarnych uzyskano przepływy: kanał I-K1 – 2000 dm³/s; kanał K1-VIII – 2250 dm³/s (rys. 2),
• dla warunków niestacjonarnych uzyskano wartości: kanał I-K1 – 2000 dm³/s; kanał K1-VIII – 3250 dm³/s (rys. 3).

Wariant II – przeciążony kolektor oraz kanały dopływowe i odpływowe

Kolejnym etapem weryfikacji była rozbudowa modelu o kanały dopływowe i odpływowe. Finalny graf sieci przedstawiono na rys. 4. Przepustowość analizowanego odcinka sieci między węzłami I i VIII jest minimalnie mniejsza i wynosi 3244 dm³/s (rys. 5). Różnica wynika z uwzględnienia dopływów poniżej węzła VIII i następującego w ich wyniku spiętrzenia ścieków w kanale.

Z punktu widzenia oceny przepustowości odcinka rozbudowa modelu o kanały zlokalizowane powyżej analizowanego fragmentu nie jest konieczna. Umożliwia natomiast ocenę przepustowości sieci zlokalizowanej powyżej, a co za tym idzie, pozwala ocenić stopień zagrożenia występowaniem podtopień terenu.

Wariant III – odciążenie analizowanego kolektora

Wariant III obliczeń obejmuje analizę systemu przedstawionego na rys. 4 z uwzględnieniem kanału odciążającego umożliwiającego doprowadzenie sieci kanalizacyjnej do stanu zapewniającego bezpieczeństwo i niezawodność pracy. Obliczenia przeprowadzono przy założeniu trzech rozwiązań schematu obliczeniowego:

• podłączenie rurociągów równoległych do istniejących kanałów, włączenie do istniejących studni (rys. 6–7),
• podłączenie rurociągów równoległych do istniejących kanałów za pośrednictwem dodatkowych studni połączonych z istniejącymi studniami dodatkowymi przewiązkami (rys. 8–9),
• podłączenie kanału równoległego połączonego z istniejącym systemem w węźle K1 na wlocie i w węźle VIII na wylocie kanału odciążającego (rys. 10–11).

Dla wszystkich wariantów wykonano obliczenia przy założeniu stałego obciążenia ściekami. Zaprezentowano profile kanału istniejącego oraz dodatkowego kanału odciążającego.

Analiza wyników

Uzyskane wyniki wskazują na znaczne różnice uzyskiwane przy użyciu klasycznych metod wykorzystywanych na co dzień w praktyce projektowej. Są one obarczone znacznym błędem wynikającym z małej dokładności szacowania natężenia przepływu ścieków. Z drugiej strony, brak analizy przepustowości przy użyciu oprogramowania uwzględniającego niestacjonarne warunki przepływu zwiększa prawdopodobieństwo podjęcia błędnej decyzji, zwłaszcza w przypadku znaczących różnic spadku dna sąsiadujących kanałów.

Ocena stanu istniejącego (warianty obliczeniowe I i II) wskazuje na brak możliwości odprowadzenia oczekiwanych ilości ścieków (3400 dm³/s w dolnych odcinkach wybranego kanału).

Skala problemu w przypadku użycia metody Steady Flow jest zauważalna, niedobór przepustowości najmniej korzystnych odcinków wynosi ok. 34%. W przypadku weryfikacji metodą Dynamic Wave niedobór na poziomie ok. 4,5% dyskwalifikuje istniejące rozwiązanie, chociaż skala problemu nie jest już tak duża.

Zbyt rozbudowany graf obliczeniowy nie jest odpowiedni dla kanałów zlokalizowanych powyżej analizowanego obszaru, chyba że istnieje podejrzenie występowania przepełnienia kanałów, które planuje się potwierdzić „przy okazji” wykonywanych prac.

Wariant III obejmował trzy warianty opisu dodatkowego kanału odciążającego. Uzyskane wyniki były zgodne z intuicyjnymi przewidywaniami. Niezależnie od stopnia skomplikowania połączeń w studniach uzyskiwane są zbliżone rezultaty. W przypadku rezygnacji z połączeń z istniejącym kolektorem należy się liczyć z występowaniem spiętrzenia w kanale dodatkowym.

Podsumowanie

Biorąc pod uwagę uzyskane rezultaty, stwierdzić należy, że rozbudowa grafu obliczeniowego przy zachowaniu klasycznych metod szacowania ilości wód opadowych nie ma większego znaczenia dla uzyskanych wyników. W szczególności dotyczy to sieci kanałów powyżej analizowanego przekroju. W przypadku sieci kanałów poniżej analizowanego fragmentu systemu występuje wpływ spiętrzenia ścieków w kanałach odpływowych.

Przy analizowaniu przepływu należy unikać stosowania metody stacjonarnej czy oceny przy użyciu nomogramów lub krzywych sprawności. Błędne interpretowanie uzyskiwanych rezultatów może doprowadzić do znacznego niedoszacowania przepustowości sieci kanałów. W efekcie podejmowane są nieprzemyślane decyzje, a w sytuacjach spornych odpowiedzialność może zostać zrzucona na niewłaściwą stronę procesu inwestycyjnego.

Literatura

1. Kotowski A., Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnień terenów, Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa 2011.
2. Kotowski A., Kaźmierczak B., Dancewicz A., Modelowanie opadów do wymiarowania kanalizacji, Polska Akademia Nauk, Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej, Instytut Podstawowych Problemów Techniki, „Studia z zakresu inżynierii” nr 68, Warszawa 2010.
3. Rossman L.A., Storm Water Management Model. User’s Manual. Version 5, US EPA, Cincinnati 2005.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!