1. Wprowadzenie Wprowadzenie

Transkrypt

1 1. Wprowadzenie Wprowadzenie Kanalizacja oznacza historycznie dwa pojęcia: zespół budowli inżynierskich do spełniania określonych celów, nauka stosowana o projektowaniu, budowie i eksploatacji sieci i obiektów systemu do odprowadzania oraz unieszkodliwiania ścieków, tj. wód zużytych i opadowych. Współcześnie, kanalizacja rozumiana też jako system powierzchniowego odwadniania terenów zurbanizowanych mieszcząca się w pojęciu hydrologii miejskiej, jest często wspomagana melioracjami terenów, jako systemem służącym do regulacji zasobów wód podziemnych mieszczącym się z kolei w pojęciu hydrogeologii miejskiej. Cele kanalizacji na terenach zurbanizowanych (osadniczych), to: 1) utrzymanie warunków higienicznych (sanitarnych) przez zbieranie i odprowadzanie ścieków do oczyszczalni, gdzie następuje ich unieszkodliwienie; 2) zapobieganie szkodom związanym z zalewaniem bądź podmakaniem terenów i obiektów, 3) utrzymanie powierzchni komunikacyjnych: jezdni, przejść pieszych, w tym podziemnych, w stanie używalności (np. przejezdności woda co najwyżej do poziomu krawężników). Utrzymanie warunków higienicznych jest głównym i pierwotnym celem kanalizacji jednostek osadniczych. Problemy higieniczne wynikają głównie z obecności zanieczyszczeń mikrobiologicznych w składzie ścieków bytowo-gospodarczych, związanych z życiem i działalnością ludzi. W przypadku ścieków przemysłowych chodzi głównie o niekorzystny wpływ ich składu fizyko-chemicznego na środowisko, w tym na trwałość kanałów. Cele drugi i trzeci dotyczą wód opadowych, tj. deszczowych i roztopowych. Z punktu widzenia ochrony środowiska wody opadowe zbierane kanalizacją z uszczelnionych powierzchni terenów zurbanizowanych są ściekami. Równo-

2 14 1. Wprowadzenie legle do postulatu sanitarnego, cele te zyskały na znaczeniu wraz ze wzrostem gęstości i wartości zabudowy oraz intensyfikacji wykorzystywania powierzchni terenów na cele komunikacyjne. Nasilające się w ostatnich latach ekstremalne zjawiska przyrodnicze, takie jak gwałtowne bądź długotrwałe opady i związane z nimi powodzie, czy wylewy z kanalizacji powodują znaczne straty gospodarcze. Zmuszać to powinno do ciągłego doskonalenia zasad wymiarowania systemów kanalizacyjnych. Współczesne metody badawcze stosowane w hydrologii miejskiej, w tym monitoring opadów, w powiązaniu z wiedzą z zakresu statystyki, rachunku prawdopodobieństwa i modelowania matematycznego, stają się obecnie niezbędnymi narzędziami w praktyce inżynierskiej. Do projektowania odwodnień terenów (kanalizacji bytowo-gospodarczej i przemysłowej oraz deszczowej, bądź ogólnospławnej) stosowane są różne metody obliczeniowe (algorytmy) do określania miarodajnego odpływu ścieków. W zależności od zastosowanego algorytmu uzyskuje się różniące się wyniki. Konsekwencją doboru niewłaściwej metody obliczeniowej jest więc możliwość zaprojektowania kanałów przewymiarowanych, co jest ekonomicznie nieuzasadnione, bądź też częściej kanałów o niedostatecznej przepustowości, co powoduje przeciążenie sieci i stwarza niebezpieczeństwo zalania ulic, piwnic i podtopień terenów. O dokładności każdej metody obliczeniowej (z teorii niezawodności) decyduje najsłabsze ogniwo, którym są najczęściej dane o opadach i spływach wód deszczowych. Bezpieczne projektowanie i wymiarowanie systemów kanalizacyjnych ma na celu zapewnienie odpowiedniego standardu odwodnienia terenu, który definiuje się jako przystosowanie systemu do przyjęcia maksymalnych, prognozowanych strumieni wód opadowych z częstością równą dopuszczalnej (akceptowalnej społecznie) częstości wystąpienia wylania na powierzchnię terenu. Dlatego tak ważne stają się obecnie systematyczne badania opadów i określenie statystycznej częstości (prawdopodobieństwa) występowania ich maksymalnych wysokości. Tab Zalecane częstości projektowe deszczu obliczeniowego i dopuszczalne częstości wystąpienia wylania wg PN-EN 752:2008 [182] Częstość deszczu obliczeniowego [1 raz na C lat] Rodzaj zagospodarowania terenu Częstość wystąpienia wylania [1 raz na C lat] 1 na 1 I. Tereny pozamiejskie (w org. wiejskie) 1 na 10 1 na 2 II. Tereny mieszkaniowe 1 na 20 1 na 5 III. Centra miast, tereny usług i przemysłu 1 na 30 1 na 10 IV. Podziemne obiekty komunikacyjne, przejścia i przejazdy pod ulicami itp. 1 na 50

3 1. Wprowadzenie 15 Polska norma, zharmonizowana z europejską normą, PN-EN 752:2008 [182] ogranicza częstość wylewów z kanalizacji (czy też braku możliwości odbioru wód opadowych) do rzadkich powtarzalności ich występowania: raz na 10 lat w przypadku terenów pozamiejskich, oraz raz na 20, 30 lub 50 lat dla terenów miejskich odpowiednio do rodzaju zagospodarowania przestrzennego (tab. 1.1). Nie znaczy to, że należy wymiarować kanały na tak rzadkie częstości (powtarzalności) występowania deszczy. Byłoby to często nieuzasadnione ekonomicznie i technicznie trudne do spełnienia. Cytowana norma zaleca do projektowania systemów kanalizacyjnych częstości deszczu obliczeniowego: raz na rok dla terenów pozamiejskich oraz raz na 2, 5 lub 10 lat dla terenów miejskich, przy czym nie mogą występować tutaj żadne przeciążenia w działaniu systemów grawitacyjnych (praca pod ciśnieniem). Wynika stąd m.in. konieczność dobierania kanałów na niecałkowite wypełnienie, tj. z rezerwą przepustowości na wypadek rzadziej pojawiających się deszczy. W większych systemach odwodnieniowych zaleca się obecnie weryfikację częstości wylewów na drodze modelowania hydrodynamicznego sieci, przy różnych scenariuszach jej obciążenia opadami, zmiennymi w czasie i przestrzeni. Scenariuszami tymi są najczęściej rzeczywiste zmierzone serie opadów lokalnych w wieloleciu, bądź też opady modelowe (np. Eulera typu II czy generowane losowo). Wymiarowanie kanalizacji deszczowej i ogólnospławnej w Polsce tzw. metodą granicznych natężeń, napotyka na podstawową trudność, wynikającą z braku wiarygodnego modelu opadów do określania miarodajnego natężenia deszczu. Najczęściej stosowany model opadów Błaszczyka (z 1954 r.) zaniża bowiem wyniki obliczeń strumieni deszczy o rząd 40%, co wykazano m.in. w pracach [101, 105, 106] na przykładzie opadów zmierzonych na stacji meteorologicznej IMGW we Wrocławiu z okresu Ma to swoje konsekwencje przy wymiarowaniu odwodnień terenów wg zaleceń europejskiej normy PN-EN 752 (z 2008 r.) dostosowanej do dyrektywy Europejskiego Komitetu Normalizacji (CEN) odnośnie ujednolicenia do 2050 r. wymagań w zakresie ochrony terenów przed wylewami z kanalizacji w państwach członkowskich Unii Europejskiej, wpływając bezpośrednio na większą częstość występowania tych niekorzystnych zjawisk w Polsce. Pilna staje się potrzeba zastąpienia modelu opadów Błaszczyka w wymiarowaniu systemów odwodnień terenów w Polsce, dokładniejszymi modelami o zasięgu lokalnym, na podstawie których możliwe byłoby w przyszłości opracowanie atlasu opadów maksymalnych w Polsce na wzór atlasu KOSTRA (z 1997 r. [12]) w Niemczech. Dla przykładu dane o opadach dla polskich miast przygranicznych, takich jak Szczecin, Gubin czy Zgorzelec, mieszczących się w zasięgu atlasu KOSTRA [55, 68, 217], czy też zmierzone we Wrocławiu [106], wskazują na znacznie wyższe natężenia deszczy niż tradycyjnie obliczane ze wzoru Błaszczyka. Wprowadzenie podobnego jak w Niemczech systemu prezentacji wyników pomiarów opadów maksymalnych w skali kraju, pozwoliłoby

4 16 1. Wprowadzenie na bezpieczniejsze niż dotychczas projektowanie systemów kanalizacyjnych, a także na urealnienie oceny zagrożeń przez wylania, podtopienia czy powodzie. Zastosowanie mają tutaj współczesne modele fizykalne i probabilistyczne opadów maksymalnych zaprezentowane w pracy. Zjawisko opad-odpływ w zlewni zurbanizowanej jest zagadnieniem niezmiernie złożonym i trudnym do uogólnienia. Zastosowanie do prognozy strumienia odpływu wód deszczowych dotychczas opracowanych modeli symulacyjnych spływu (hydrologicznych czy hydrodynamicznych) wymaga uprzednio zwymiarowania sieci odwodnieniowej tzw. metodami czasu przepływu. Obliczanie miarodajnego do wymiarowania systemów (sieci i obiektów) kanalizacji deszczowej bądź ogólnospławnej strumienia ścieków deszczowych opiera się z konieczności na założeniach upraszczających. Mianowicie zakłada się, że zlewnia zasilana jest deszczem o stałym natężeniu (opad blokowy) a rozdział powierzchniowy opadu jest równomierny (zlewnia homogeniczna). Wówczas uzyskuje się największy strumień odpływu wód deszczowych, przy czasie trwania deszczu równym czasowi spływu wód. Metoda granicznych natężeń (MGN) stosowana w Polsce znacznie zaniża wyniki obliczeń strumieni ścieków w porównaniu do innych metod czasu przepływu, stosowanych przykładowo w Niemczech (MWO i MZWS), wymaga więc pilnej modyfikacji. Tak zwymiarowane systemy kanalizacyjne, obejmujące zlewnie deszczowe o powierzchni F > 2 km 2, zaleca się obecnie sprawdzać pod kątem ich przepustowości hydraulicznej (sieci i obiektów) w oparciu o skalibrowane modele symulacyjne, dla spełnienia wymagań PN-EN 752 co do akceptowalnych społecznie częstości wylewów z kanalizacji (tab. 1.1). W pracy sformułowano podstawy bezpiecznego projektowania i wymiarowania grawitacyjnych systemów (sieci i obiektów) odwodnień terenów, na tle zasad dotychczasowych stosowanych w Polsce. Rozdziały 2. do 10. dotyczą zasad projektowania i wymiarowania sieci kanalizacyjnych, natomiast rozdziały 11. do 15. obiektów na sieciach kanalizacyjnych. I tak w rozdziale 2. podano ogólną charakterystykę kanalizacji, definicje rodzajów ścieków i klasyfikacje obecnie budowanych systemów kanalizacyjnych: konwencjonalnych, tj. grawitacyjnych oraz niekonwencjonalnych, tj. opartych na wymuszonym, pod- lub nadciśnieniem, transporcie ścieków. W rozdziale 3. omówiono dotychczasowe utrwalone w Polsce, zasady projektowania i wymiarowania hydraulicznego systemów kanalizacji grawitacyjnej, w tym systemów ogólnospławnych, rozdzielczych i półrozdzielczych. Podano także szczegółową ich charakterystykę, wady i zalety, czynniki wpływające na wybór systemu oraz etapowanie budowy kanalizacji. W rozdziale 4. przedstawiono stosowane układy geometryczne sieci kanalizacyjnych (globalne i lokalne) oraz podano ogólne zasady ich doboru do danych warunków terenowych. W rozdziale 5. omówiono zasady bilansowania strumieni ścieków bytowo-gospodarczych oraz przemysłowych, w tym także wód przypadkowych i infiltracyjnych, oraz zalecenia co do wypełnień kanałów

5 1. Wprowadzenie 17 ściekowych w Polsce i w Niemczech. W rozdziale 6. podano podstawy bilansowania wód opadowych w zlewni deszczowej, w tym scharakteryzowano opady i omówiono stosowane deszczomierze. Zaprezentowano dotychczas stosowane modele opadów do wymiarowania kanalizacji, o zasięgu ogólnopolskim i lokalnym, w tym własne dla Wrocławia. Wykazano znaczne różnice ilościowe i jakościowe wyników obliczeń natężenia deszczy z modelu Błaszczyka w porównaniu z innymi modelami. Sformułowano zasady tworzenia fizykalnych i probabilistycznych modeli opadów (lokalnych), jako racjonalnego rozwiązania problemu danych wyjściowych do projektowania i modelowania działania kanalizacji deszczowej czy ogólnospławnej. W rozdziale 7. podano szczegółowe zasady bilansowania wód deszczowych w zlewni zurbanizowanej. Omówiono metody czasu przepływu wymiarowania kanalizacji, w tym metodę granicznych natężeń (MGN) stosowaną dotychczas w Polsce, i metodę współczynnika opóźnienia (MWO) stosowaną obecnie w Niemczech. W celu zapewnienia odpowiedniego standardu odwodnienia terenów zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 752:2008, tj. podniesienia niezawodności działania systemów kanalizacji deszczowej i ogólnospławnej budowanych czy modernizowanych w Polsce, w rozdziale 8. zaproponowano daleko idącą modyfikację metody granicznych natężeń do nowoczesnego bezpiecznego wymiarowania kanalizacji, w tym zastąpienie modelu Błaszczyka nowymi, dokładniejszymi modelami opadów o zasięgu lokalnym. Uzasadniono to przykładami wymiarowania kanalizacji deszczowej dla modelowej zlewni w warunkach wrocławskich. Sformułowano także zalecenia do modelowania hydrologicznego i hydrodynamicznego systemów kanalizacyjnych, jako podstawy do weryfikacji wyników wymiarowania kanalizacji (metodami czasu przepływu) co do częstości nadpiętrzeń i wylewów. W rozdziale 9. przedstawiono hydrauliczne podstawy doboru przekroi (średnic) kanałów, działających pod ciśnieniem i ze swobodnym zwierciadłem ścieków. Omówiono rodzaje i klasyfikacje przepływów cieczy, metody i wzory obliczeniowe oraz nomogramy do doboru kanałów, podano skutki hydrauliczne przepełniania się kanałów grawitacyjnych i sformułowano nowe zalecenia do projektowania minimalnych spadków ich dna. W rozdziale 10. omówiono zasady racjonalnego projektowania, budowy i eksploatacji sieci kanalizacyjnych, w tym trasowania kanałów w planie i w profilu, stosowania studzienek, komór inspekcyjnych, połączeniowych i kaskadowych oraz syfonów. Omówiono także techniki budowy i rehabilitacji kanałów, zasady eksploatacji płukania sieci kanalizacyjnych oraz podano stadia dokumentacji projektowych. Podstawy bezpiecznego projektowania i wymiarowania przelewów burzowych z dławionym odpływem na kanalizacji ogólnospławnej podane zostały w rozdziale 11. pracy wraz z procedurami i przykładami obliczeniowymi, na podstawie badań [3, 18, 41-43, 58, 83-91, 111]. W rozdziale 12. sformułowano zasady wymiarowania hydraulicznego separatorów ścieków deszczowych, na podstawie własnych badań modelowych [35, 36, 84, 86, 91, 102, 111, 116], a także badań innych auto-

6 18 1. Wprowadzenie rów [3, 40, 57, 124] wraz z przykładami obliczeniowymi opatentowanych przez autora sposobów dławienia odpływu ścieków. Podstawy wymiarowania objętości użytkowej zbiorników retencyjnych ścieków deszczowych podano w rozdziale 13., w oparciu o badania [3, 7, 10, 18, 47-51, 55, 60, 66-68, 76, 97, 98, 103, 115, 143, ] dotyczące zbiorników grawitacyjnych (przepływowych i przelewowych), a także grawitacyjno-pompowych i grawitacyjno-infiltracyjnych. Podstawy doboru racjonalnych konstrukcji regulatorów hydrodynamicznych przepływu ścieków (z przykładami) podano w rozdziale 14., na podstawie badań modelowych przeprowadzonych w ramaach grantów MNiSW [119, 120, ], a także innych badań [4, 26, 53, 56, 151, 221, 223, 249]. Zaprezentowano też nowe rozwiązania konstrukcyjne regulatorów wirowych, opatentowane i zgłoszone do opatentowania. W rozdziale 15. sformułowano zasady projektowania i wymiarowania hydraulicznego separatorów sedymentacyjno-flotacyjnych do podczyszczania ścieków opadowych (deszczowych i roztopowych) z zawiesin i substancji ropopochodnych zarówno na podstawie badań własnych [ , 112, 113], jak też innych autorów [25, 40, 54, 57, , 149, 199]. Zaprezentowano modele matematyczne do opisu przepływów cieczy w separatorach cieczy lekkich z wewnętrznymi kanałami obejściowymi (tzw. by-passami), na podstawie których zweryfikowano konstrukcje wielu typoszeregów separatorów, znanych producentów krajowych i zagranicznych takich urządzeń. Prezentowany podręcznik stanowi podsumowanie dotychczasowego stanu wiedzy w zakresie podstaw nowoczesnego bezpiecznego projektowania systemów (sieci i obiektów) odwodnień terenów zurbanizowanych, w duchu zaleceń najnowszej normy PN-EN 752:2008. Praca ma monograficzno-metodologiczny a zarazem aplikacyjny charakter. Adresowana jest głównie do studentów i pracowników naukowych wyższych uczelni technicznych, rolniczych oraz uniwersytetów wydziałów Inżynierii Środowiska i Ochrony Środowiska, ale także do projektantów, wykonawców i eksploatatorów systemów usuwania ścieków oraz zagospodarowania spływów wód deszczowych.