O potrzebie dostosowania zasad wymiarowania kanalizacji w Polsce do wymagań normy PN EN 752 i zaleceń Europejskiego Komitetu Normalizacji

Transkrypt

1 O potrzebie dostosowania zasad wymiarowania kanalizacji w Polsce do wymagań normy PN EN 752 i zaleceń Europejskiego Komitetu Normalizacji Andrzej Kotowski* ) 1. Wstęp Praca stanowi próbę podsumowanie stanu wiedzy w zakresie metodologii projektowania sieci kanalizacyjnych w Polsce, zwłaszcza w kontekście wymagań europejskiej normy PN-EN 752, wdrożonej do prawodawstwa polskiego w latach 2000/2001. Uwzględniono przy tym najnowsze branżowe propozycje niemieckiego Stowarzyszenia Techniki Ściekowej Abwassertechnische Vereinigung (ATV), zgodne z postulatem Europejskiego Komitetu Normalizacji (CEN), osiągnięcia w państwach członkowskich Unii Europejskiej daleko idącego ujednolicenia poziomu wymagań co do ochrony przed wylaniem z systemów kanalizacyjnych, w tym zwłaszcza odwodnieniowych. Na odpływ wód ze skanalizowanych terenów zurbanizowanych składają się ścieki bytowo-gospodarcze i przemysłowe oraz wody (ścieki) opadowe i przypadkowe. Stosownie do tego systemy kanalizacyjne mają na celu [1,2]: utrzymanie warunków higienicznych poprzez pełne odbieranie i odprowadzanie ścieków do oczyszczalni, zapobieganie szkodom związanym z wylaniem i podmakaniem terenu czy też podtapianiem budowli, głównie wskutek spływu wód opadowych, utrzymanie powierzchni terenów w stanie używalności, niezależnie od warunków atmosferycznych. Zapobieganie szkodom związanym z wylaniem i podtapianiem, jak również utrzymanie skanalizowanych powierzchni w stanie używalności, odnoszą się głównie do wód deszczowych, odprowadzanych do kanalizacji ogólnospławnej bądź deszczowej. Cele te rozwinęły się równolegle do postulatu higienicznego i zyskały na znaczeniu wraz ze wzrostem gęstości zabudowy, wartości budynków i intensyfikacją komunikacji. Jednocześnie coraz częściej kwestionowana jest zasada pełnego odprowadzenia wód opadowych jako sprzeczna z zasadami gospodarki wodnej w zlewniach rzek. Bowiem powoduje to obniżenie poziomu parowania i odtwarzania się wód podziemnych obok znacznego podwyższenia maksymalnych odpływów wód powierzchniowych. Odprowadzanie ścieków z terenów zurbanizowanych odbywa się tradycyjnie w systemie rozdzielczym bądź ogólnospławnym. W kanalizacji rozdzielczej ścieki bytowo-gospodarcze i przemysłowe odprowadza się kanałem ściekowym ( sanitarnym ), a wody opadowe (i ewentualnie drenażowe) kanałem * ) Dr hab. inż. Andrzej Kotowski prof. nadzw. PWr., Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej, Zakład Usuwania Ścieków deszczowym. W kanalizacji ogólnospławnej ścieki odprowadza się łącznie z wodami opadowymi wspólnym kanałem. Zmodyfikowane (mieszane) systemy kanalizacyjne pojawiają się w konsekwencji konieczności w przyszłości rezygnacji z odprowadzania całości wód opadowych i ich różnicowania pod względem jakości [3]. W szczególności można w ten sposób odciążyć hydraulicznie istniejące kanały i oczyszczalnie oraz ograniczyć liczbę przelewów burzowych na kanalizacji ogólnospławnej. Zmodyfikowane systemy kanalizacyjne przeciwdziałają więc szkodom w gospodarce wodnej zlewni hydrologicznych, wynikającym z szybkiego odprowadzenia wód opadowych z obszarów skanalizowanych. Z punktu widzenia obiegu wody, nieszkodliwie zanieczyszczone wody opadowe powinny być retencjonowane, odparowywane czy rozsączane na miejscu. Potencjalnie lub faktycznie zanieczyszczone wody (ścieki) opadowe należy stosownie lokalnie podczyszczać bądź odprowadzać do oczyszczalni ścieków. W Polsce, odnośnie ścieków opadowych i roztopowych pochodzących z uszczelnionych powierzchni terenów przemysłowo-składowych, centrów miast, lotnisk, torowisk, dróg, a także parkingów obowiązujący jest wymóg ich oczyszczania, w ilości jaka powstaje z opadów o natężeniu co najmniej 15 dm 3 /s na 1 ha powierzchni szczelnej do zawartości maksymalnie 100 mg/dm 3 zawiesin ogólnych oraz maksymalnie 15 mg/dm 3 substancji ropopochodnych [4]. W zależności od systemu kanalizacji rozróżnia się następujące rodzaje zadań obliczeniowych: wymiarowanie nowych sieci kanalizacyjnych, obliczenia sprawdzające działanie istniejących systemów, w tym wariantów ich renowacji, obliczenia kontrolne częstotliwości nadpiętrzenia i szacowanie pewności braku wylania. 2. Zasady doboru przekroju kanałów ściekowych Miarodajny do wymiarowania kanałów przepływ obliczeniowy definiuje się następująco: w systemie rozdzielczym (dwuprzewodowym): kanał ściekowy ( sanitarny ) kanał deszczowy = Q bd + d, (1) = (2) w systemie ogólnospławnym (kanał ogólnospławny): = Q bd +, (3) 20

2 Q bd przepływ podczas pogody bezdeszczowej, dm 3 /s, d dopływ wód opadowych do kanału ściekowego, dm 3 /s, przepływ wód deszczowych, dm 3 /s. W przypadku kanalizacji rozdzielczej przepływ miarodajny do wymiarowania kanałów należy ustalać oddzielnie dla kanału ściekowego i deszczowego. Miarodajny przepływ w kanale ściekowym (1) wynika przy tym z sumy dwóch składowych. Wielkość przepływu Q bd podczas pogody bezdeszczowej oblicza się jako sumę następujących składowych odpływu: ścieków bytowo-gospodarczych Q b-g, dm 3 /s, ścieków przemysłowych Q p, dm 3 /s, wód przypadkowych Q przyp, dm 3 /s, stąd Q bd = Q b-g rzyp (4) Dopływ wód deszczowych (d ) stanowi uwarunkowaną opadem (bądź też topnieniem śniegu) składową przepływu w kanałach ściekowych, która w szczególności wywołana jest wodami deszczowymi wnikającymi z powierzchni terenu poprzez otwory wentylacyjne we włazach studzienek. Do tego dochodzi jeszcze dopływ wód deszczowych w wyniku omyłkowych włączeń (np. rynien, wpustów podwórzowych), którym można zapobiec metodami technicznymi. Dopływ wód deszczowych określany jest też jako dodatkowy udział wód przypadkowych w czasie pogody deszczowej [1,5]. Dla kanału deszczowego miarodajny przepływ obliczeniowy (2) odnosi się wyłącznie do odpływu wód opadowych ( ) podczas pogody deszczowej. Ewentualne wystąpienie wód przypadkowych, a także odpływów niezgodnych z przeznaczeniem kanału deszczowego, jest tutaj z reguły nieistotne (pomijalnie małe) przy wymiarowaniu przekroju kanału. W przypadku kanalizacji ogólnospławnej na przepływ obliczeniowy (3) składa się głównie odpływ podczas pogody deszczowej (wód deszczowych) oraz odpływ podczas pogody bezdeszczowej Q bd (ścieków i wód przypadkowych). Obliczanie przepływów cieczy w przewodach zamkniętych opiera się najczęściej na wzorze Prandtla-Colebrooka, przy przyjęciu zastępczej chropowatości ścian kanałów k = 1,5 mm [6], bądź nawet k = 2,5 mm [7]. Tym samym rzadziej stosuje się obecnie wzór Manninga (przy n = 0,013 s/m 1/3 ), jako właściwy jedynie dla przepływów turbulentnych, a przez to mniej dokładny [8]. Przy wymiarowaniu kanałów o przepływie cieczy ze swobodnym zwierciadłem, jego obliczeniowa przepustowość całkowita Q (całego przekroju przepływowego) nie powinna być w pełni wykorzystywana, m.in. ze względów hydraulicznych, tj. niebezpieczeństwa zapowietrzania się kanałów i niestabilnych warunków przepływu. Praktycznie 100% przepustowość Q kanału (wg Prandtla-Colebrooka) osiągana jest już przy względnym wypełnieniu h/d = 0,83 w kanałach o przekroju kołowym, bądź h/h = 0,87 w kanałach jajowych, czy też h/h = 0,81 w kanałach dzwonowych [9]. Przy projektowaniu kanałów ściekowych (sanitarnych) należy zwrócić uwagę na odmienny charakter wielkości wymiarującej w porównaniu z kanałami ogólnospławnymi i deszczowymi. Obliczeniowo istotny odpływ podczas pogody bezdeszczowej występuje tutaj sporadycznie, jako krótkotrwałe obciążenie. Dlatego też zaleca się w tym wypadku przyjmowanie w obliczeniach większych rezerw bezpieczeństwa, aby też w pewnym zakresie umożliwić przyszły wzrost odprowadzanych kanałem ilości ścieków (np. silniej zanieczyszczonych wód opadowych w zmodyfikowanych systemach rozdzielczych). Ponadto nie można zupełnie wykluczyć wzrostu ilości ścieków, pomimo obecnego spadkowego trendu jednostkowego zużycia wody w Europie i na świecie (np. wskutek większego zagęszczenia zabudowy). Tak więc rezerwa bezpieczeństwa przy wymiarowaniu kanałów ściekowych powinna zostać uwzględniona dopiero po wyznaczeniu miarodajnego odpływu (ze wzorów wyjściowych (1) i (4)), poprzez dobór następnego większego przekroju już przy częściowym napełnieniu kanału (h/d) w granicach od 50 do 70%, wg [1], co w stosunku do przepustowości całkowitej Q kanału kołowego odpowiada odpowiednio od 50 do 83% Q, a w odniesieniu do obliczeniowej rezerwy przepustowości daje to od 50 do 17% Q. Takie ustalenia wydają się właściwe, zwłaszcza że wcześniejsza zmiana na następny większy przekrój poprzeczny kanału generuje tylko nieznaczne dodatkowe koszty inwestycyjne, zwiększa natomiast elastyczność późniejszej eksploatacji (w tym daje możliwość modyfikacji systemu) i ma z reguły niewielki wpływ na całkowite koszty systemu [2]. Do prawidłowego oszacowania rezerwy bezpieczeństwa przepustowości w przypadku kanałów ściekowych niezbędne jest więc właściwe metodologicznie określenie składowych strumienia miarodajnego, w oparciu o odpowiednie wartości jednostkowych wskaźników odpływu ścieków bytowo-gospodarczych i przemysłowych oraz wód przypadkowych [9]. Obliczanie odpływu ścieków na podstawie gęstości zaludnienia i wielkości powierzchni zlewni bytowo-gospodarczej zalecane jest dla przypadku projektowania nowego systemu. Wielkość odpływu ścieków bytowo-gospodarczych Q b-g (w dm 3 /s) określić można na podstawie wzoru: Q b-g = q b-g G M F b-g /1000, (5) q b-g jednostkowy odpływ ścieków bytowo-gospodarczych: q b-g = 4 dm 3 /(s 1000 M) [1], G M gęstość zaludnienia na skanalizowanym terenie, M/ha, F b-g powierzchnia zlewni bytowo-gospodarczej objęta kanalizacją, ha. Przy obliczaniu odpływu ścieków z istniejących systemów kanalizacyjnych, z reguły znana jest liczba mieszkańców. Posługując się wielkością średniego dobowego odpływu ścieków (q M ), odpływ Q b-g (w dm 3 /s) obliczyć można ze wzoru: Q b-g = q M M N /86400, (5a) q M jednostkowy odpływ ścieków bytowo-gospodarczych: q M = 150 dm 3 /(M d) [1], M liczba mieszkańców obszaru zabudowy mieszkaniowej, M, N współczynnik nierównomierności odpływu ścieków: N = N h < 1,5; 3,0 > [1]. Wielkość odpływu ścieków przemysłowych Q p (w dm 3 /s) obliczana jest natomiast ze wzoru: Q p = q p F p, (6) q p wskaźnik (maksymalnego, godzinowego) odpływu ścieków przemysłowych, dm 3 /(s ha), F p powierzchnia terenu przemysłowego objęta kanalizacją, ha. 21

3 Wody przypadkowe stanowią niepożądane dopływy do kanalizacji, które mogą być spowodowane infiltrującą do kanałów wodą podziemną (zaskórną bądź gruntową) i w zależności od rodzaju kanalizacji, różnymi błędnymi podłączeniami. Wody przypadkowe uwzględniają także dopływające wody opadowe podczas pogody deszczowej. Z powodu odmiennego charakteru poszczególnych składowych wód przypadkowych, zaleca się ich różnicowanie ze względu na pogodę deszczową i bezdeszczową, w zależności od sposobu szacowania wielkości oczekiwanego odpływu wód przypadkowych. Wielkość odpływu wód przypadkowych Q przyp (w dm 3 /s) podczas pogody bezdeszczowej, dla nowo uzbrajanych terenów, można oszacować przy pomocy charakterystycznego dla danej miejscowości wskaźnika q przyp, ze wzoru: Q przyp = q przyp F, (7) q przyp wskaźnik odpływu wód przypadkowych: q przyp < 0,05; 0,15> dm 3 /(s ha) [1], F powierzchnia zlewni objęta kanalizacją, ha. Nieunikniony dopływ wód deszczowych d (w dm 3 /s), jako dodatkowy udział wód przypadkowych (podczas pogody deszczowej) przy wymiarowaniu kanałów ściekowych (sanitarnych) należy szacować w oparciu o wskaźnik q dd, ze wzoru: d = q dd F b-g, p, (8) q dd wskaźnik dopływu wód deszczowych: q dd <0,2; 0,7> dm 3 /(s ha) [1], F b-g, p powierzchnia zlewni objęta kanalizacją bytowo-gospodarczą i przemysłową, ha. Ryczałtowo, dopływ wód przypadkowych Q przyp do kanałów bytowo-gospodarczych i przemysłowych, zarówno podczas pogody bez- jak i deszczowej, może być też szacowany jak dotychczas jako podwielokrotność m <0,1; 1,0> odpływu ścieków (sanitarnych), ze wzoru [1]: Q przyp = m (Q b-g ). (9) Ryczałtowe ustalanie dopływu wód przypadkowych w postaci podwielokrotności odpływu ścieków bytowo-gospodarczych i przemysłowych odpowiada wcześniej stosowanej w Polsce praktyce projektowej [10]. Mianowicie, przy wymiarowaniu kanałów ściekowych współczynnik ten obejmował łącznie dodatek ze względu na wody przypadkowe oraz rezerwę bezpieczeństwa. Według Wytycznych technicznych projektowania miejskich sieci kanalizacyjnych z 1965 roku [10] ilość wód przypadkowych (podczas pogody deszczowej) łącznie z wodami infiltracyjnymi należało przyjmować w wysokości 100% obliczeniowej ilości ścieków bytowo-gospodarczych i przemysłowych (wówczas m = 1 w (9)). Przy tak określonym przepływie miarodajnym: * = 2(Q b-g ), przekroje kanałów należało projektować jako całkowicie wypełnione. Zmienione w 1983 roku zasady projektowe [5] zalecały przyjmowanie wypełnień względnych h/d 0,6, ale dla miarodajnego strumienia przepływu samych ścieków: ** = Q b-g, tj. zachowanie warunku 67% obliczeniowej przepustowości całkowitej (Q) kanału kołowego, co jest równoznaczne z pozostawianiem rezerwy przepustowości na poziomie 33% względem Q ale łącznie na wody przypadkowe i nieunikniony dopływ wód deszczowych oraz na właściwą rezerwę. W projekcie polskiej normy [11] z 1992 roku przekroje kanałów zbiorczych (z przykanalikami) należy dobierać do 50% przepustowości całkowitej, natomiast kanały tranzytowe (bez przykanalików) od 50 do 100% ich całkowitej przepustowości (w tym ostatnim przypadku bez jakiejkolwiek rezerwy). Niedawno wprowadzona norma europejska PN-EN [12] nie reguluje tych kwestii poza stwierdzeniem, iż przeciążenie w systemach kanalizacyjnych jest niepożądane. Takie niekonsekwentne, a nawet niewłaściwe zasady projektowania przekrojów kanałów ściekowych (sanitarnych) utrwalone w Polsce, w świetle przedstawionych powyżej uwag mogą prowadzić do znacznego niedowymiarowania średnic kanałów, w porównaniu do współczesnych wymagań. W każdym przypadku rezerwa bezpieczeństwa przepustowości przy wymiarowaniu kanałów ściekowych powinna zostać uwzględniona i to dopiero po wyznaczeniu miarodajnego odpływu, tj. łącznie ścieków, wód przypadkowych i nieuniknionego dopływu wód deszczowych poprzez dobór następnego, większego przekroju już przy częściowym wypełnieniu kanału na poziomie h/d od 50 do 70 % przykładowo wg zaleceń niemieckich [1]. Powstająca w ten sposób rzeczywista nadwyżka przepustowości kanału (od 50 do 17%Q), nie może być w żadnym przypadku traktowana w kategorii rozrzutności, czy też jako rezerwa rozwojowa do ewentualnego wykorzystania w przyszłości (np. przy modyfikacji systemu), lecz jako głównie zabezpieczenie pewności działania systemu (np. ochrony przed wylaniem). W ten sposób wymiarowanie staje się bardziej pewne, a jego rezultat daje się potwierdzać w trakcie eksploatacji już istniejących systemów. 3. Zasady doboru przekroju kanałów deszczowych i ogólnospławnych 3.1. Standard odwodnienia terenów osadniczych Pojęcie standardu odwodnienia terenu definiuje się jako przystosowanie sieci kanalizacyjnej do przyjęcia maksymalnych przewidywanych ilości wód opadowych z częstotliwością równą dopuszczalnej, akceptowalnej częstotliwości wystąpienia wylania na powierzchnię terenu [1,5]. Z przyczyn ekonomicznych systemy kanalizacyjne na terenach zurbanizowanych nie mogą być tak projektowane, aby w czasie deszczu mogły zagwarantować pełną ochronę terenu przed wylaniem. Nie można też za pomocą obliczeń w wiarygodny sposób określić fizycznie największego możliwego odpływu, ze względu na stochastyczny charakter opadów. Muszą zatem zostać zdefiniowane wielkości pozwalające na obliczanie sieci kanalizacyjnych w sposób umożliwiający osiągnięcie odpowiedniego standardu odwodnienia terenu, którego utrzymanie należy zapewnić poprzez właściwy dobór przekrojów kanałów i pozostałych elementów systemu kanalizacji, jak też wdrożenie zdecentralizowanego retencjonowania wód deszczowych na posesjach. Należy zatem zdefiniować częstotliwość wystąpienia opadu dla nieuniknionego wylania i podtapiania, czy też ograniczenia używalności (dostępności) powierzchni terenów osadniczych, w tym zwłaszcza przeznaczonych na cele komunikacyjne. 22

4 Tabela 1 Zalecane częstotliwości projektowe deszczu obliczeniowego i wystąpienia wylania wg EN 752 Częstotliwość deszczu obliczeniowego *) [1 raz na n lat] Lokalizacja (rodzaj zagospodarowania terenu) Częstotliwość wystąpienia wylania [1 raz na n lat] 1 na 1 I. Tereny wiejskie 1 na 10 1 na 2 II. Tereny mieszkaniowe 1 na 20 1 na 2 1 na 5 1 na 10 III. Centra miast, tereny usług i przemysłu: z kontrolą wystąpienia wylania bez kontroli wystąpienia wylania IV. Podziemne obiekty komunikacyjne, przejścia i przejazdy pod ulicami, itp. 1 na 30-1 na 50 * ) Dla deszczu obliczeniowego nie mogą wystąpić żadne przeciążenia systemów. Określenie dopuszczalnych akceptowalnych częstotliwości, z jaką średnio w okresie wieloletnim użytkownik systemu kanalizacyjnego ma tolerować występowanie zaburzeń w funkcjonowaniu kanalizacji, musi uwzględniać każdorazowo we właściwy sposób miejscowe uwarunkowania. Europejska Norma EN z 1996 roku (wdrożona do prawodawstwa polskiego jako PN-EN 752-2: 2000 [12]) przyjmuje częstotliwość wylania jako miarę stopnia ochrony przed wylaniem w zależności od rodzaju zagospodarowania terenu (tab. 1). Zgodnie z niemiecką praktyką kanalizacyjną [2], wylanie należy wiązać ze szkodami, względnie zakłóceniami funkcjonowania (np. w przypadku jezdni, przejazdów pod ulicami), spowodowanymi wystąpieniem wód opadowych z systemu na powierzchnię terenu lub niemożnością ich odprowadzenia do systemu kanalizacyjnego wskutek jego przeciążenia. Stosownie do tego, samo wystąpienie wody na ulicę nie spełnia warunku faktycznego stanu wylania, dopóki odpływ wody w przekroju poprzecznym ulicy uniemożliwia dalszy wzrost poziomu lustra wody (powyżej krawężników) i przekroczenie granic posesji oraz nie występuje znaczące, uciążliwe pogorszenie stanu używalności nawierzchni przeznaczonej na cele komunikacyjne. Przy niewystarczającym spadku podłużnym jezdni czy braku odbiornika, zwierciadło wody może jednak podnieść się powyżej wysokości krawężnika i doprowadzić do wylania wody na teren posesji, a stamtąd do potencjalnego wnikania do budynków. Przy właściwym wykonaniu odwodnienia posesji, do bezpośredniego wtargnięcia wody do budynku może dojść dopiero wtedy, gdy poziom wody (ciśnienia) w kanale publicznym znacznie przekroczy poziom ulicy, w miejscu przyłączenia posesji do kanału (wylotu przykanalika). Poziom ten jest też najczęściej przyjmowany jako dopuszczalny poziom cofki piętrzącej [1]. Podane w tab. 1 wymagania (wg EN 752-2) odnośnie ochrony przed wylaniem, są zalecane dla sieci nowo projektowanych bądź przy modernizacjach już istniejących systemów. Możliwe odchylenia od tych zaleceń powinny jednak uwzględniać generalny postulat Europejskiego Komitetu Normalizacji (CEN), co do uzgodnienia i osiągnięcia w państwach członkowskich UE w dłuższym czasie daleko idącego ujednolicenia poziomu wymagań w tym zakresie. Za okres konieczny do tego rodzaju harmonizacji przepisów należy przyjąć 30 do 50 lat [2]. Jak wynika z tab. 1, o wymaganym standardzie odwodnienia terenu decyduje rodzaj zagospodarowania i obecność obiektów specjalnych infrastruktury podziemnej. Tym samym wyróżniono cztery kategorie standardu odwodnienia terenu, różniące się istotnie dopuszczalną częstotliwością wystąpienia wylania. Podobną kategoryzację (I-IV) przyjęto już w Polsce w latach osiemdziesiątych, w odniesieniu do obszarów aglomeracji miejsko-przemysłowych [5] w zależności od zagospodarowania i spadków terenu, rozróżniając przy tym jeszcze rodzaj systemu kanalizacyjnego. I tak dla kanalizacji ogólnospławnej dopuszczalne częstotliwości wylewów (równe częstotliwości deszczu obliczeniowego do wymiarowania kanałów) wynoszą odpowiednio: od 1 raz na 2 lata (I kategoria standardu odwodnienia teren zagospodarowany płaski i t 2%) i 1 raz na 5 lat (II kategoria i t = 2 4%) oraz 1 raz na 10 lat (III kategoria i t > 4%) aż do 1 raz na 20 lat (IV kategoria tereny i obiekty wymagające wyjątkowej pewności odwodnienia). Odpowiednie wartości w odniesieniu do kanalizacji deszczowej wynoszą: od 1 raz w roku (I kategoria), 1 raz na 2 lata (II kategoria), 1 raz na 5 lat (III kategoria) do 1 raz na 10 lat (IV kategoria standardu odwodnienia). Są to znacznie częstsze dopuszczalne częstotliwości wystąpienia wylania w porównaniu do podanych w tab. 1. Zalecenia europejskie wydają się więc na tym tle bardzo rygorystyczne i spotkały się z krytyką m.in. w pracy [13] jako nierealistyczne, bądź też niemożliwe do weryfikacji na etapie projektowania nowych sieci [1,2]. Podane w tab. 1 częstotliwości deszczu obliczeniowego obowiązują w Niemczech przy zastosowaniu do wymiarowania tzw. metod czasu przepływu, przeznaczonych głównie dla mniejszych sieci kanalizacyjnych [1]. Dotyczy to wielkości powierzchni zlewni F < 200 ha, bądź czasu przepływu t p < 15 min (co praktycznie może odpowiadać długości kolektora w płaskim terenie do ok. 1 km, dla prędkości przepływu do 1 m/s). Dla większych systemów kanalizacyjnych i generalnie przy stosowaniu modeli symulacji spływu, w szczególności tam, gdzie mogą wystąpić znaczne szkody bądź też zagrożenia, ATV A-118 zaleca, aby zapewnić odpowiedni standard ochrony przed wylaniem na podstawie (tab. 1) dopuszczalnej wartości częstotliwości wylania. Ma to na celu uniknięcie z jednej strony nieekonomicznego wymiarowania, ale również zbyt niskiej rezerwy bezpieczeństwa ze względu na wylania z drugiej strony. Metody czasu przepływu stosowane w Niemczech [7,14] nie uwzględniają, w przeciwieństwie do modeli spływu, a także metod stosowanych w Polsce [5,10], zwykle żadnego opóźnienia (np. czasu koncentracji terenowej t k ) w procesie spływu wód po powierzchni terenu i żadnego efektu retencji w samych kanałach (np. czasu retencji kanałowej t r ) dla czasu przepływu (t p ) równemu najkrótszemu miarodajnemu czasowi trwania deszczu (t d, min ). Wyznaczone w ten sposób bezpieczne odpływy deszczu ( = ) wykazują zatem w różnym wymiarze dodatkową rezerwę bezpieczeństwa. Jeżeli miarodajne odpływy są wyznaczane przy pomocy modeli spływu, to rezerwa ta musi zostać uwzględniona w obliczeniach w inny sposób, na przykład poprzez zadawanie obciążenia opadem o mniejszym prawdopodobieństwie wystąpienia. Można tutaj postawić sobie następujące pytania: z jak dużą rezerwą ( przewymiarowaniem kanałów) mamy do czynienia stosując niemieckie metody czasu przepływu w porównaniu do np. metody granicznych natężeń MGN (czy też metody stałych natężeń MSN), stosowanej w Polsce?; czy rezerwę tę można np. wyrazić (zastąpić) mniejszym prawdopodobień- 23

5 stwem wystąpienia obliczeniowego deszczu w MGN, jak to jest zalecane w przypadku modeli spływu?; jak wreszcie interpretować ustalenia tab. 1 co do wylań z kanalizacji, w stosunku do MGN?. Odpowiedzi na te i inne pytania można uzyskać porównując wyniki obliczeń odpływu dla przykładowych sieci, zwymiarowanych polskimi i niemieckimi metodami. Jak wykazano w dalszej części artykułu, w stosunku do obliczeń metodą granicznych natężeń, rezerwa ta sięgać może nawet kilkudziesięciu procent wartości strumienia. Zadawanie częstotliwości deszczu obliczeniowego odpowiada dotychczasowej koncepcji wymiarowania systemów odwodnieniowych, w tym i w Polsce. Dla przyjętego obciążenia opadem, z zastosowanej metody obliczeniowej otrzymuje się wynikowy maksymalny miarodajny odpływ ( = ). Wymiarowany przekrój rozpatrywanego kanału powinno się dobierać w ten sposób, ażeby teoretyczna jego przepustowość całkowita Q (przy danym spadku dna) była większa od wyliczonego odpływu miarodajnego. Według [1] zaleca się dobierać następny większy przekrój, jeżeli wyznaczony odpływ miarodajny ( ) przekracza 90% przepustowości całkowitej (Q) kanału (wg Prandtla-Colebrooka). Odpowiada to zasadzie projektowania takich kanałów na względne wypełnienia h/d 0,75 w przypadku kanałów o przekroju kołowym, bądź h/h 0,79 w przypadku kanałów jajowych, czy też h/h 0,72 w przypadku kanałów dzwonowych. Przestrzeganie tego zalecenia prowadzi więc do uzyskania dodatkowej pewności działania na wypadek przeciążenia kanału podczas ekstremalnie intensywnych deszczy i nie powinno być traktowane jako rezerwa rozwojowa systemu (przy obserwowanym, postępującym w czasie, uszczelnianiu się skanalizowanych zlewni). W Polsce utrwalił się błędny sposób wymiarowania kanałów bez pozostawienia odpowiedniej rezerwy bezpieczeństwa, tj. do całkowitego wypełnienia przekroju [10,11], co jest sygnalizowane m.in. w pracach [5,13] Wybór metody obliczeniowej i obciążenia opadem Ponieważ obliczenia sprawdzające systemów kanalizacyjnych nabiorą w przyszłości większego znaczenia, a przy dzisiejszym stanie wiedzy odwzorowanie procesu wylania (czasu trwania i objętości wylewu) techniką modelowania spływu jest praktycznie niemożliwe, wytyczna ATV A118 [1] wprowadza pojęcie częstotliwości nadpiętrzenia jako pomocniczą wielkość wymiarującą do obliczeń sprawdzających sieci kanalizacyjnych. Przez nadpiętrzenie należy rozumieć przekroczenie przez maksymalny obliczeniowy stan wody określonego poziomu odniesienia najczęściej powierzchni terenu. Rzędna terenu odpowiada też najczęściej dopuszczalnemu poziomowi cofki piętrzącej. Obliczenia sprawdzające ograniczono zatem do takich stanów systemu, przy których lustro ścieków pozostaje wewnątrz systemu, względnie osiąga poziom powierzchni terenu. Takie stany dają się w poprawny sposób odwzorować przy wykorzystaniu istniejących modeli hydrodynamicznych, na podstawie danych o geometrii sieci i wymiarów kanałów oraz obiektów. Przez to zostaje wyznaczony obliczeniowo stan przeciążenia (tab. 2), który jest najbliższy potencjalnie występującemu w dalszej kolejności wylaniu. Prawidłowe stosowanie podawanych w tab. 2 częstotliwości nadpiętrzenia w obliczeniach sprawdzających wymaga przyjęcia dalej idących wytycznych odnośnie doboru obciążenia opadem jak i samej metody obliczeniowej, którą należy zastosować Tabela 2 Zalecane częstotliwości nadpiętrzenia do obliczeń sprawdzających nowych (projektowanych) sieci bądź systemów po renowacji (poziom odniesienia powierzchnia terenu) [1] Częstotliwości nadpiętrzenia Rodzaj zagospodarowania terenu [1 raz na n lat] I. Tereny wiejskie 1 na 2 II. Tereny mieszkaniowe 1 na 3 III. Centra miast, tereny usług i przemysłu rzadziej niż 1 na 5 IV. Podziemne obiekty komunikacyjne, rzadziej niż 1 na 10*) przejścia i przejazdy pod ulicami, itp. * ) Przy przejazdach należy wziąć pod uwagę, że nadpiętrzeniu powyżej powierzchni terenu z reguły towarzyszy bezpośrednio wylanie, o ile nie są stosowane lokalne środki zabezpieczające. Tutaj częstotliwości nadpiętrzenia i wylania odpowiadają wymienionej w tab. 1 wartości 1 na 50. Tabela 3 Zalecane metody i obciążenia opadem do rozwiązywania zadań obliczeniowych [1] Metoda obliczeń / Zadanie obliczeniowe 1. Wymiarowanie nowych sieci kanalizacyjnych 2. Obliczenia sprawdzające istniejących systemów 3. Obliczenia wariantów renowacji kanałów 4. Obliczenia kontrolne częstotliwości nadpiętrzenia Metody czasu przepływu 1) Krzywa natężenia deszczu, opad blokowy, 2) Opad modelowy (Eulera typ II), 3) Grupy opadów modelowych, 4) Zmierzone serie opadów nawalnych. Hydrologiczne modele spływu Hydrodynamiczne modele spływu zalecane 1) możliwe 2) możliwe 2) możliwe 1) możliwe 2) 3) 4) 2) 3) 4) zalecane możliwe 1) możliwe 2) 3) 4) zalecane 2) możliwe 3) nie możliwe nie możliwe 2) 3) 4) zalecane w konkretnym przypadku prowadzenia obliczeń (tab. 3). Wielkościami zadawanymi są tutaj dane o opadach w postaci opadu blokowanego (krzywej natężenia), opadów modelowych (w tym grup pluwiogramów syntetycznych) lub historycznego zapisu opadów nawalnych. Proces spływu wód opadowych (zjawisko opad-odpływ ) daje się podzielić na 3 fazy: tworzenia spływu, koncentracji spływu i odpływu kanałowego. Decydująca o określeniu hydrologiczny lub hydrodynamiczny model spływu jest zależność obliczeniowa do opisu odpływu kanałowego [2]. Metody hydrologiczne używają empirycznych zależności lub funkcji transformacji do obliczeń odpływu w kanałach, natomiast metody hydrodynamiczne bazują na rozwiązaniu równań nieustalonego i nierównomiernego ruchu cieczy [6]. Te ostatnie stany przeciążeń, takie jak przepływ pod ciśnieniem czy spiętrzenie, uwzględniają więc w sposób najbardziej zbliżony do rzeczywistości. Statystyczna analiza niemal stuletnich danych o opadach w Niemczech umożliwiła ustalenie lokalnego związku między czasem trwania t d, częstotliwością n [1/a] i natężeniem q opadu w postaci krzywych natężenia deszczu, które zawarto w atlasie KOSTRA. Pozwalają one na indywidualizację oceny wielkości opadu, bowiem regionalne różnice q (przy tej samej częstotliwości) przekraczają w Niemczech 100% (nie uwzględniane dotychczas w formule współczynnika opóźnienia wg Reinholda) 24

6 Tabela 4 Najkrótsze miarodajne czasy trwania deszczu (t d, min ) w zależności od spadku terenu i stopnia uszczelnienia powierzchni [1] Średni spadek terenu < 1% Stopień uszczelnienia Minimalny czas trwania deszczu 50% 15 min > 50% 10 min 1% do 4% 10 min > 4% 50% 10 min > 50% 5 min [2]. Dla przykładu dane o opadach dla polskich miast przygranicznych, takich jak Szczecin, Słubice czy Zgorzelec (mieszczących się w zasięgu atlasu KOSTRA-1997), wykazują wyższe charakterystyczne natężenia opadów niż tradycyjnie przyjmowane do obliczeń w Polsce. Wprowadzenie u nas podobnego systemu rejestracji i zestawień wyników pomiarów opadów (monitoringu) pozwoliłoby na urealnienie oceny skali zagrożeń przez wylania, co postuluje się m.in. w pracy [13]. Do wymiarowania sieci kanalizacyjnych, w zależności od lokalnych uwarunkowań (nachylenia terenu, stopnia uszczelnienia, czasu przepływu), miarodajne mogą być krótsze lub dłuższe czasy trwania deszczu. W Niemczech najkrótsze rozważane czasy trwania deszczu powinny być dobierane w zależności od nachylenia terenu i stopnia uszczelnienia powierzchni, wg tab. 4. W stosowanej w Polsce do wymiarowania kanalizacji metodzie granicznych natężeń MGN (jak i metodzie stałych natężeń MSN) należy przyjmować t d, min = 10 min [10]. Generalnie metoda MGN zaniża wynik obliczeń strumienia odpływu w porównaniu do metod czasu przepływu stosowanych w Niemczech, głównie ze względu na odmienny sposób obliczania czasu trwania deszczu miarodajnego. Co zostanie wykazane w dalszej części pracy, przyjmowanie w MGN przykładowo t d, min = 15 min (jak to jest sugerowane w pracy [5] bez podania jednak warunków stosowania) prowadziłoby również do niedowymiarowania średnic kanałów w porównaniu do obliczeń metodami niemieckimi również dla t d, min = 15 min. Niemniej jednak kryteria minimalnego czasu trwania deszczu podane w tab. 4 mogą być pomocne także i u nas. Do wymiarowania kanałów deszczowych stosuje się w Niemczech najczęściej tzw. metodę współczynnika opóźnienia (MWO) spływu. Metoda ta opiera się na natężeniu deszczu wzorcowego o zadanej częstotliwości i czasie trwania. Przy założeniach, że zlewnia zasilana jest deszczem o stałym natężeniu ( opad blokowy ) i równomiernym rozdziale powierzchniowym ( zlewnia homogeniczna ) uzyskuje się największy, miarodajny dla wymiarowania kanałów odpływ wód opadowych, przy czasie trwania deszczu każdorazowo odpowiadającemu czasowi przepływu (t d = t p ). W przeszłości wykorzystywano w tej metodzie współczynnik opóźnienia odpływu wg wzoru Reinholda, przy pomocy tego wzoru obliczano miarodajne natężenie deszczu q t, n, dla dowolnego czasu trwania, w oparciu o natężenie deszczu wzorcowego q 15,1 (o czasie trwania 15 minut i częstotliwości n = 1). Swoiste dla danej miejscowości natężenie opadu nie mogło być zatem we właściwy sposób uwzględnione. Miarodajny odpływ proponuje się obecnie określać ze wzoru [1]: = q t, n Ψ s F, (10) q t, n miarodajne natężenie deszczu o czasie trwania t d (= t p ) i częstotliwości n, dm 3 /(s ha), Ψ s szczytowy współczynnik spływu [1,14]-, F pole powierzchni zlewni deszczowej, ha. Postać wzoru (10) jest analogiczna do stosowanej w Polsce, w metodzie granicznych natężeń. Różnica tkwi w wielkości q t,n, którą określa się u nas nadal z formuł empirycznych (np. wzoru Błaszczyka), przy uwzględnieniu czasu trwania, wysokości i częstotliwości deszczu. Istnieje więc tu co prawda pewna możliwość intuicyjnego uwzględniania regionalnych różnic wysokości opadów (H od 600 do 1500 mm), przy stałym jednak związku funkcyjnym q t,n z częstotliwością wystąpienia deszczu. Ponadto w MGN uwzględnia się opóźnienie odpływu, przyjmując czas retencji kanałowej w wysokości 20% czasu przepływu: t r = 1,2t p, stąd t d = 1,2t p + t k, t k czas koncentracji terenowej (t k = 2 10 min [10]). Stąd m.in. w obu metodach, stosowanej w Polsce i w Niemczech, otrzymuje się różne wyniki obliczeń. W pracy [7], w dodatku 1, zamieszczono przykład zwymiarowania kanalizacji deszczowej zlewni o powierzchnia F = 118 ha niemiecką metodą współczynnika opóźnienia (MWO) spływu. Stopień uszczelnienia terenu wynosił od 35 do 55%, a współczynnik szczytowego spływu Ψ s od 0,33 do 0,51 (dla spadków terenu w klasie do 4%), stąd zredukowana powierzchnia zlewni wyniosła F zred = 42,3 ha. Do wymiarowania kanałów przyjęto częstotliwość deszczu obliczeniowego n = 1 i t d,min = 10 min (por. tab. 3). W niniejszym artykule za podstawę porównań wyników obliczeń wg MGN przyjęto za niezmienne czasy przepływów (t p ) na poszczególnych odcinkach zwymiarowanej już sieci [7] (w szczególności zależnych od prędkości, a więc od średnic i spadków kanałów). Przy tym założeniu i przyjęciu t d,min = 10 min w MGN obliczano czasy trwania deszczu miarodajnego t d = 1,2t p + t k, przy t k = 5 min jak dla kolektorów deszczowych o powtarzalności deszczu C = 2 lata (i t < 4% [10]). Natężenie deszczu miarodajnego (q d ) określano ze wzoru Błaszczyka (dla wysokości opadu H = 600 mm [10]), a stąd = q d F zred. Stwierdzono, że dla czasów przepływu t p 4,2 min, przy częstotliwości n = 1 w MWO, a przy powtarzalności deszczu C = 2 lata w MGN, wyniki obliczeń obiema metodami są niemal identyczne. Natomiast dla t p od 4,2 do 10 min różnice sięgają 40% (co wynika w MWO z niezmienności współczynnika opóźnienia ϕ = 1,263), by następnie nieco zmaleć do rzędu 30%, przy t p > 10 min aż do t p = 26 min (wskutek zmniejszania się wartości współczynnika ϕ). Innymi słowy mamy tutaj do czynienia ze znacznym zaniżaniem wyników obliczeń przez MGN, pomimo zróżnicowania na wstępie częstotliwości deszczu miarodajnego w obu metodach. Podobną analizę porównawczą można przeprowadzić w stosunku do wpływu wielkości t d, min na wyniki obliczeń strumienia deszczu. Przyjmując (teoretycznie) w obu metodach dłuższy miarodajny czas trwania deszczu, tj.: t d,min = 15 min i konsekwentnie częstotliwość n = 1 w MWO oraz powtarzalność deszczu C = 2 lata w MGN, to dla czasów przepływu t p 8,3 min wyniki obliczeń obiema metodami byłyby nadal niemal identyczne (lecz o ok. 25% niższe w porównaniu z pierwotnym założeniem: t d, min = 10 min w obu metodach). Natomiast przy t p > 8,3 min (t d > 15 min) w MGN jak i przy t p > 15 min w MWO wyniki obliczeń strumieni byłyby rozbieżne, a wzajemne różnice sięgałyby ok. 30% na niekorzyść MGN. 25

7 4. Podsumowanie i wnioski końcowe W artykule przedstawiono współczesny stan wiedzy w zakresie metodologii wymiarowania i obliczeń kontrolnych sieci kanalizacyjnych. Podane poniżej uwagi i wnioski dają podstawę do zmiany dotychczasowego stereotypowego sposobu projektowania sieci kanalizacyjnych w Polsce, zgodnie z normą PN-EN 752 i postulatem Europejskiego Komitetu Normalizacji, osiągnięcia w państwach UE ujednolicenia poziomu wymagań co do ochrony przed wylaniem z systemów odwodnieniowych. Kanały powinny być zawsze wymiarowane na przepływ ze swobodnym zwierciadłem i z odpowiednio dużą rezerwą przepustowości ( bezpieczeństwa przepływu ), przy czym rezerwa ta powinna zostać uwzględniona dopiero po wyznaczeniu miarodajnego odpływu ścieków i wód przypadkowych. W Polsce utrwalił się błędny sposób wymiarowania kanałów do całkowitego wypełnienia przekroju bez odpowiedniej rezerwy. Podane w PN-EN wymagania odnośnie standardu ochrony terenów przed wylaniem są zalecane zwłaszcza dla sieci nowo projektowanych, bądź też przy modernizacjach już istniejących systemów. Możliwe odchylenia od tych zaleceń, w istniejących systemach odwodnieniowych, powinny uwzględniać postulat CEN osiągnięcia w państwach UE ujednolicenia poziomu wymagań w tym zakresie. Należy przy tym wykorzystać wszystkie możliwości zagospodarowania wód deszczowych na miejscu w zlewni, tak aby nie odprowadzać do kanalizacji nieszkodliwie zanieczyszczonych wód opadowych bądź zmniejszyć odpływ takich wód. Prawidłowe stosowanie zalecanych w PN-EN częstotliwości projektowych deszczu obliczeniowego oraz częstotliwości wylań (czy też nadpiętrzeń wg ATV-A 118) w kanałach, przy ich wymiarowaniu bądź obliczeniach sprawdzających, wymaga zastosowania odpowiedniej metody obliczeniowej (modelu), jak i samego obciążenia opadem. Przy wymiarowaniu kanalizacji polskimi metodami (np. MGN) wyżej zalecane wartości częstotliwości projektowych są niewłaściwe i wymagają odpowiedniej interpretacji, bowiem MGN w porównaniu do metod niemieckich (np. MWO) znacznie zaniża wartość miarodajnego do wymiarowania kanałów strumienia deszczu (nawet przy przyjęciu w metodzie polskiej rzadszej powtarzalności deszczu niż w niemieckiej). Ma to swoje konsekwencje przy doborze średnic kanałów i wpływa bezpośrednio na rzeczywistą częstotliwość wylewów (czy nadpiętrzeń), zwłaszcza w nowo projektowanych systemach. Ujednolicenie wymagań w tym zakresie wymaga więc modyfikacji zasad (zaleceń) projektowania kanalizacji w Polsce. Świadome przewymiarowanie przekrojów kanałów deszczowych bądź ogólnospławnych, z jakim mamy do czynienia Złoty Inżynier lutego 2006 roku w Warszawskim Domu Technika odbyła się uroczystość wręczania tytułów Złotego Inżyniera 2005 przyznanej w XII edycji plebiscytu czytelników Przeglądu Technicznego. Już po raz drugi kolegium redakcyjne wyróżniło w plebiscycie inżynierów rozpoczynających karierę zawodową przyznając tytuły w kategorii Junior. W uroczystościach wręczenia nagród uczestniczyło ok. 300 osób związanych od wielu lat z ruchem inżynierskim. stosując do obliczeń niemieckie metody czasu przepływu (dla zlewni do 200 ha), a także dobór średnic kanałów na niecałkowite wypełnienie (do 90% przepustowości kanału), sprawdza się w ekstremalnych sytuacjach eksploatacyjnych systemów odwodnieniowych zmniejsza wysokość ewentualnych odszkodowań za straty spowodowane przez wylania. Postuluje się podjęcie prac nad wprowadzeniem w Polsce, podobnego jak w Niemczech, systemu monitoringu opadów, w postaci np. odpowiednika atlasu KOSTRA, co pozwoliłoby na urealnienie podstaw wymiarowania kanałów i oceny zagrożeń przez wylania. Prace i badania w tym zakresie należy podjąć już teraz, aby w najbliższej perspektywie sprostać wymaganiom PN-EN 752-2, w odniesieniu do systemów odwodnieniowych. PIŚMIENNICTWO [1] ATV-DVWK-A 118: Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwässerungssystemen. Gfa, Hennef [2] ATV-DVWK: Kommentar zum Arbeitsblatt A 118 Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwässerungssystemen. Gfa, Hennef [3] ATV-DVWK-A 105P: Wybór systemu odwadniającego. Gfa, Hennef [4] Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie warunków jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego. Dz. U. Nr 168 z dnia 8 lipca 2004 r. (poz. 1763). [5] Zasady planowania i projektowania systemów kanalizacyjnych w aglomeracjach miejsko-przemysłowych i dużych miastach. Instytut Kształtowania Środowiska, Warszawa [6] ATV-DVWK-A 110P: Wytyczne do hydraulicznego wymiarowania i sprawdzania przepustowości kanałów i przewodów ściekowych. Gfa, Hennef [7] Edel R.: Odwodnienie dróg. WKŁ, Warszawa [8] Kotowski A., Wójtowicz P.: Podstawy metodologiczne badań parametrów hydraulicznych ciśnieniowych rurociągów i kanałów z tworzyw sztucznych. GWiTS nr 1/2005. [9] Kotowski A.: Wybrane aspekty metodologii projektowania kanałów bytowo-gospodarczych i przemysłowych. Forum Eksploatatora nr 4/2005. [10] Błaszczyk W., Roman M., Stamatello H.: Kanalizacja. T1. Arkady, Warszawa [11] PN-B (Projekt): Kanalizacja. Obliczenia hydrauliczne kanałów ściekowych. PKN, Warszawa [12] PN-EN : Zewnętrzne systemy kanalizacyjne. Część 1: Pojęcia ogólne i definicje; Część 2: Wymagania; Część 3: Planowanie; Część 4: Obliczenia hydrauliczne i oddziaływanie na środowisko; Tłumaczenie europejskiej normy EN : 1995/1996/1997, PKN, Warszawa 2000/2001. [13] Suligowski Z.: Zagospodarowanie wód opadowych. Szczególne problemy, Forum Eksploatatora nr 3-4/2004. [14] Kuliczkowski A., Jakubowski J.: Ocena porównawcza wybranych metod obliczania miarodajnych przepływów w kanalizacji deszczowej. Instal nr 11 (223)/2002. Finał tego plebiscytu 2005 był początkiem obchodów 140-lecia Przeglądu Technicznego i ogłoszenia przez Radę Krajową FSNT NOT roku 2006 Rokiem Przeglądu Technicznego. Laureaci to wybitni naukowcy, twórcy techniki, przedsiębiorcy, menedżerowie. Wśród laureatów znaleźli się nasi koledzy stowarzyszeniowi: Janusz Honkowicz inżynier elektroenergetyk ze Śląska, prezes Górnośląskiej Spółki Gazownictwa i Paweł Stańczak inżynier mechanik, wiceprezes Spółki Gaz-System. Laureatom gratulujemy 26