Odwodnienie dróg. Współpraca sieci kanalizacji deszczowej z urządzeniami podczyszczającymi, pompownią i zbiornikiem retencyjnym

Sieć kanalizacyjna, urządzenia podczyszczające, pompownia i zbiornik retencyjny to podstawowe składniki infrastruktury odwodnień autostrad i dróg szybkiego ruchu. Występują zarówno na drodze właściwej (odcinki proste), jak i na obiektach (węzły, wiadukty i mosty). Ścieki opadowe – deszczowe i wody roztopowe – zgodnie z przepisami Prawa wodnego wymagają podczyszczenia przed wprowadzeniem ich do odbiorników, czyli rzek, rowów melioracyjnych czy gruntów. Poza pewnymi wyjątkami nie jest wymagane podczyszczanie ścieków odprowadzanych do kanalizacji deszczowej ogólnospławnej.

Odbiorcy ścieków (w rozumieniu Prawa wodnego) lub zarządcy kanalizacji dążą ze względów techniczno-eksploatacyjnych do ograniczenia maksymalnego odpływu ścieków podczas opadów. W poprzednim artykule [1] zaproponowano rozwiązanie retencji kanałowo-powierzchniowej zmierzające do obniżenia maksymalnego odpływu ścieków opadowych. Poniżej podano przykład optymalizacji kosztów inwestycji oraz warunków pracy instalacji odwodnienia drogi.

W warunkach kanalizacji miejskiej pracować mogą pompownie, jednak ich wydajność nie może przekraczać limitu ustalonego przez zarządcę kanalizacji. Dostawca separatorów gwarantuje ich poprawne działanie dla określonej przepustowości, np. dla takich przepływów, jakie zostały podane w tab. 1.

Ścieki opadowe charakteryzują się znacznymi wahaniami odpływu, które dla okresu suchego wynoszą od 0 do q_maks., np. 500 l/s. Rozporządzenie [4] nakazuje podczyszczanie wód opadowych i roztopowych z zawartych w nich zawiesin i substancji ropopochodnych w ilości, jaka powstaje w danej zlewni z opadów deszczu miarodajnego o natężeniu co najmniej 15 l/s/ha.

Zatem projektant może wybrać, czy zastosuje urządzenia oczyszczające całość wód deszczowych, czy też separatory o mniejszej przepustowości, a chwilowe przepływy maksymalne, przekraczające wartość obliczeniową, skieruje przewodem by-passu bez oczyszczania do odbiornika. Należy jednak pamiętać, że separator to proste urządzenie, które umieszczone zostaje w studzience. Wahania odpływu są znaczne i nasuwa się tu wątpliwość, czy urządzenie przy tak dużych wahaniach przepływu, jak podano powyżej, spełni swoją funkcję.

Przekazana do eksploatacji droga musi mieć odwodnienia. W związku z tym należy: zebrać powstające ścieki opadowe, podczyścić je, retencjonować i zapewnić transport hydrauliczny (odpływ) do odbiornika. Zbieranie ścieków odbywa się grawitacyjnie – dopływają one całą swoją powierzchnią do rowu poprzez wpusty, rowki itp. W większości przypadków odpływ odbywa się w rowie otwartym, rzadziej kanałem rurowym ułożonym na poboczu drogi.

Należy dążyć do skierowania odpływu ścieków do pompowni, gdyż zapewnia to optymalne warunki pracy omawianej infrastruktury kanalizacyjnej. Przedstawione to zostało na załączonym schemacie wysokościowym (rys. 1).

Zagłębienie pompowni wynika z zagłębienia końcówki kanału lub rowu otwartego. Na przepompowni kończy się zagłębienie instalacji. Pozostała infrastruktura, tj. separatory i zbiornik, zostaje wypłycona. Analiza hydrauliczna wykazała, że zbiornik niewspółpracujący z pompownią nie zapewnia retencji i stanowi wyłącznie element przepływowy, to jest rozszerzony kanał dopływowy.

Istnieją dwa warianty lokalizacji wysokościowej separatora (rys. 1):

1. zagłębiony separator (co wynika z końcówki kanału doprowadzającego ścieki) z by-passem, dalej dopływ do pompowni, a następnie zbiornik retencyjny,
2. zagłębienie pompowni (warunki jak wyżej), a następnie zbiornik retencyjny i maksymalnie wypłycony separator.

Pierwsze rozwiązanie nie jest zalecane ze względów techniczno-eksploatacyjnych i ekonomicznych. Nieuzasadnione jest wykonywanie zagłębienia by-passów i separatora, gdyż utrudnia to eksploatację, obserwację i usuwanie ścieków oraz pobieranie próbek i czyszczenie. Obserwacja lustra ścieków możliwa jest w tym wypadku tylko przy użyciu kamery. Konieczne jest też nadbudowanie separatora i studzienek, co zwiększa koszty.

Tych wad nie ma drugie rozwiązanie (wariant 2 na rys. 1). Rów otwarty zbierający ścieki z „połówki” drogi szybkiego ruchu prowadzi znaczne ich ilości, co wynika z długości obsługiwanego odcinka. W przeciwieństwie do kanału biegnącego pod ziemią rów zbiera dodatkowe ilości deszczu opadającego na jego powierzchnię (skarpy i pobocza nieutwardzone). Infrastruktura ulokowana jest w różnym oddaleniu od odbiornika i ma to wpływ na ilość prowadzonych ścieków.

Rów pod względem hydraulicznym stanowi rzekę w skali mikro, co pozwala na wyraźne retencjonowanie opadów, a następnie ich „wypuszczanie” do dalszych obiektów, m.in. do separatora, pompowni i ewentualnie zbiornika. Zależy to od warunków lokalnych, a przede wszystkim od układu wysokościowego. Wykorzystanie zjawiska retencji w oczyszczaniu ścieków pozwala na zmniejszenie gabarytów pompowni i zastosowanie mniejszych pomp, a tym samym niższej mocy zainstalowanej. To wszystko wpływa na koszty inwestycji i eksploatacji.

Należy podkreślić, że pompownie o średnicy wewnętrznej płaszcza d = 2,5 m mogą zostać wykonane u producenta z pełnym wyposażeniem hydrauliczno-elektrycznym, dostarczone na miejsce transportem samochodowym i wprowadzone do wykopu dźwigiem. Natomiast transport pompowni o średnicy d większej od 2,5 m wymaga spełnienia kłopotliwych i kosztownych procedur drogowo-transportowych.

Dzięki zastosowaniu pomp zatapialnych możliwe jest umieszczenie dwóch pomp, przy zapewnieniu wymaganych odległości ich rozstawu, a pompownia może mieć wydajność rzędu 500–600 l/s, zgodnie z wymaganiami dla odbioru ścieków. Pozwala to również ujednolicić rodzaj pomp. Zastosowanie retencji kanałowej (rowu otwartego) umożliwia:

• właściwe, optymalne zaprojektowanie pompowni,
• zastosowanie separatora o mniejszej przepustowości, co wpływa na koszt zakupu,
• rezygnację ze zbiornika retencyjnego otwartego, którego zastosowanie jest kosztowne i wiąże się z licznymi niedogodnościami.

Sposób obliczeń

Sposób wyboru optymalnego rozwiązania odwodnienia odcinka drogi prezentuje poniższy przykład. Droga dwupasmowa przebiega na obrzeżach miasta. Odwodnienie poprowadzono przy pomocy podziemnego kanału rurowego. Woda zbierana jest przez wpusty uliczne. Kanał ułożony jest na poboczu drogi i oba ciągi łączą się ze sobą. Powierzchnia zlewni F = 4 ha, q = 160 l/s×ha. Odbiornikiem ścieków jest rów melioracyjny. Zarządca tego rowu podał, że maksymalny dopływ nie może przekroczyć q = 25 l/s. Wymagane jest też podczyszczenie ścieków. Maksymalny odpływ ze zlewni wyniesie zatem:

gdzie współczynnik odpływu φ = 0,95.

Przeanalizowano retencję powierzchniowo-kanałową. Objętość opadów (wg [1]) wyniesie: V = 610×1000 = 610 m³. Długość kanału wynosi 2×1000 = 2000 m, a minimalny spadek i = 2,5%. Przyjęto kanał o średnicy d = 400 mm (z PCW). Teren jest płaski, a różnice wysokości nie przekraczają 0,5 m. Zagłębienie znajduje się na końcu kanału na wysokości h = 1,5 m + 2,5 m = 4 m. Wlot do pompowni przyjęto na poziomie 4,5 m ppt. Głębokość użytkowa pompowni wyniosła hv = 1,5 m. Zagłębienie - 6 m ppt.

Obliczenia retencji

Retencja kanału wynosi:

Powierzchnia zlewni to 4 ha. Wysokość retencji powierzchniowej wynosi:

(bez uwzględniania retencji kanału).

Dopływ do pompowni przyjęto w ilości qp = 200 l/s.
V_p = 250 m³
V_t = 360 m³
V_zr = 610 - 250 = 360 m³

Obliczenia pompowni

Założono geometryczną wysokość podnoszenia na poziomie h_p = 6 m. Wybrano pompy z wirnikiem kanałowym, który zapewnia sprawność tych urzą-dzeń na poziomie 75%. Bez uwzględnienia retencji należałoby przyjąć pompy o średnicy d = 295 mm i mocy silników 12,5 kW. Uwzględniając retencję, można zastosować pompy o d = 210 mm i mocy silników 5 kW. Zastosowano pompę o mniejszych gabarytach, co pozwala obniżyć kubaturę pompowni z 2,5 do 2 m³.

Zbiornik

Przyjęto zbiornik otwarty o wymiarach 30×30 m, biorąc pod uwagę górę skarpy. Powierzchnia użytkowa 25×25 = 625 m². Przyjęto wysokość retencji h = 1,0 m. Zbiornik przyjmie opad w ilości V = 610 m³. Wymagany odpływ do separatora q_n = 25 l/s. Czas opróżniania t = 360/40 000 ≅  7 godzin. Odpowiednio dobrana kryza zapewnia odpływ w ilości 25 ±5 l/s.

Podsumowanie

Uwzględnienie retencji w infrastrukturze odprowadzania ścieków opadowych z powierzchni utwardzonej pozwala:

• zmniejszyć przekrój kanału co najmniej o dwie dymensje - z 600 do 400 mm,
• nawet trzykrotnie obniżyć konieczną wydajność pompowni,
• uniknąć stosowania by-passów,
• dobrać separator do mniejszych obciążeń,
• spełnić wymagania odbioru ścieków.

Podobny tok obliczeń można zastosować przy uwzględnianiu retencji w rowie otwartym.

Literatura

1. Bajena A., Chlipalski J., Retencja kanałowo-powierzchniowa. Działania w kierunku obniżenia maksymalnego odpływu ścieków opadowych, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2010.
2. Chlipalski J., Zastosowanie retencji powierzchniowej w drogownictwie, „Drogownictwo” nr 6/2009.
3. Chlipalski J., Pompownie wód opadowych i roztopowych w drogownictwie – paradoks hydrauliczny, „Drogownictwo” nr 8/2009.
4. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie niebezpiecznych dla środowiska wodnego (DzU nr 137, poz. 984).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!