Dr hab. inż. Jadwiga KRÓLIKOWSKA, prof. PK Politechnika Krakowska im. T. Kościuszki Katedra Wodociągów, Kanalizacji i Monitoringu Środowiska R E C E N Z J A rozprawy doktorskiej Pani mgr inż. Małgorzaty SOBCZYK pt.,,analiza zdolności retencyjnej ekstensywnych dachów zielonych 1. Podstawa formalna recenzji Recenzję opracowano w związku z pismem Dziekana Wydziału Infrastruktury i Środowiska Politechniki Częstochowskiej z dnia 23.10.2018 roku oraz na podstawie umowy o dzieło z dnia 23.10.2018 roku o nr 36/2018. 2. Krótka charakterystyka rozprawy Praca ma charakter badawczy i składa się zasadniczo z dwóch części: części wprowadzającej (rozdz., rozdz.1, 2, 3, 4 i 5) oraz części badawczej (rozdz., rozdz. 6, 7, 8, 9), a także streszczenia w języku polskim i języku angielskim, literatury, spisu tabel, spisu rysunków. Całość rozprawy obejmuje 123 strony, w tym 48 rysunków, 18 tabel, 1 załącznik, bibliografia zawiera 118 pozycji. 3. Ocena celowości podjęcia tematu Tematyka pracy dotyczy ważnego i aktualnego problemu zarządzania wodami opadowymi na obszarach zurbanizowanych. Dynamiczny rozwój obszarów zurbanizowanych zalicza się do najważniejszych czynników wpływających na lokalne zmiany w środowisku naturalnym, zmiany klimatyczne, w tym na bilans wodny i procesy hydrologiczne. Skutkiem zmian w zagospodarowaniu zlewni jest występowanie zjawisk ekstremalnych, w szczególności opadów (deszczy nawalnych) powodujących lokalne podtopienia i zaburzenia funkcjonowania infrastruktury oraz występowanie suszy i wynikające z niej deficyty wody. Wody opadowe są podstawową częścią zasobów wodnych zapewniających odnawialność zarówno wód powierzchniowych, jak i podziemnych stąd potrzeba świadomego i zrównoważonego gospodarowania wodami opadowymi. Wdrażanie zasad zrównoważonego gospodarowania wodami opadowymi na obszarach zurbanizowanych jest realizowane poprzez między innymi zielono-błękitną infrastrukturę współpracującą z podziemną infrastrukturą kanalizacyjną, rozwiązanie pozwalające zwiększyć retencje wód opadowych w mieście. Technologią sprawdzającą się na obszarach silnie zurbanizowanych są zielone 1
dachy, będące przedmiotem rozważań recenzowanej rozprawy. Prace badawcze nad zagospodarowaniem wód opadowych znalazły wyraz w Dyrektywie Wodnej Unii Europejskiej, a obowiązujące w Polsce od roku 2018 Prawo Wodne wprowadza obowiązkową opłatę za odprowadzanie wód/ścieków opadowych, której wysokość uzależniona jest od objętości urządzeń retencyjnych zlokalizowanych na zlewni. Wpływ wielu czynników na funkcjonowanie zielonych dachów takich jak: złożoność rozwiązań konstrukcyjnych, uwarunkowania zewnętrzne, m.in. pora roku, intensywność i czas trwania opadu, długości okresów bezopadowych (ich duża zmienność lokalna), narzuca konieczność prowadzenia jak najwięcej i jak na szerzej badań w zakresie możliwości redukcji objętości odpływu, zmniejszenia szczytowej fali odpływu oraz opóźnienia spływu z zielonych dachów. Zasadnym więc jest podjęcie badań w tym zakresie przez Doktorantkę.. 4. Merytoryczna ocena rozprawy W części wprowadzającej (rozdz. 1) Autorka wprowadza czytelnika w zagadnienia podejmowanego tematu stwierdza, że zielone dachy stanowią jedno z najbardziej efektywnych rozwiązań zielonej infrastruktury wskazując na duży udział dachów w ogólnej powierzchni zlewni miejskiej. Rozdz. 2 dotyczy gospodarowania wodami opadowymi na terenach zurbanizowanych. Pani mgr inż. Małgorzata Sobczyk zwraca uwagę, że zmiany klimatyczne niosą ze sobą nasilenie intensywności opadów letnich i zimowych, a w konsekwencji eskalację wielkości i częstotliwości zagrożenia powodziowego. Kluczowym zagadnieniem w projektowaniu systemów odwodnienia miast jest określenie parametrów deszczu, przyjęcie w obliczeniach hydraulicznych częstości występowania opadu miarodajnego na podstawie normy PN-EN 752 i niemieckich wytycznych ATV A118. W rozdziale tym Doktorantka zdefiniowała pojęcie zrównoważonego rozwoju systemów odwodnienia opartego na retencji i infiltracji, podkreślając by zwiększenie retencji na terenach zurbanizowanych było wprowadzane w sposób systemowy wykorzystując znane na świecie modele. W rozdz. 3 przedstawiona została ogólna charakterystyka zielonych dachów. Obejmuje ona rys historyczny, funkcje zielonych dachów, klasyfikacje, konstrukcje, materiały i eksploatacje dachów. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 14.11.2017 dach zielony, jako teren biologicznie czynny zapewnia naturalną wegetację roślin i retencję wód opadowych i staje się alternatywą dla inwestorów budownictwa, koniecznością odtworzenia utraconej przez zabudowę powierzchni biologicznie czynnej. W końcowej części rozdziału zamieszczone zostały przykłady dachów zielonych w Polsce. Wpływ zastosowania ekstensywnych dachów zielonych na obieg wody w mieście zawiera rozdz. 4. W rozdziale mowa jest o etapach procesu retencji, infiltracji i ewapotranspiracji wód opadowych w warstwach zielonego dachu, przykładowych wynikach badań w skali kraju i świata z zakresu zdolności retencyjnej dachów zielonych. Jak wynika z badań zdolność ta zależy od wielu czynników przede wszystkim czynników klimatycznych, 2
warstw konstrukcyjnych, metodyki badań. Z analizy badań przedstawionych w literaturze Pani mgr inż. Małgorzata Sobczyk uważa, że nie można konkretnych badań przenieść na każde warunki klimatyczne i wymagane jest aby badania prowadzić na szeroka skalę w różnych warunkach. W rozdz. 5 zaprezentowano tezę, cel rozprawy i zadania badawcze pracy. Sformułowane zostały dwie tezy: : 1) Zastosowanie ekstensywnych dachów zielonych powoduje znaczące zredukowanie szczytowych natężeń przepływu oraz objętości odprowadzanych wód opadowych, przy czym stopień redukcji zależny jest przede wszystkim od konstrukcji zielonego dachu, parametrów opadu oraz położenia geograficznego. 2) Ekstensywne dachy zielone w obszarach zurbanizowanych wpływają na poprawę niezawodności działania infrastruktury kanalizacyjnej, w tym zbiorników retencyjnych, przy czym wpływ ten jest zależny od parametrów technicznych samych dachów jak i obiektów kanalizacyjnych. Za cel pracy Doktorantka postawiła sobie badanie stopnia redukcji szczytowych natężeń przepływu oraz objętości odprowadzanych wód opadowych dla ekstensywnych zielonych dachów o różnych konstrukcjach przy zmiennych warunkach początkowego nasycenia wodą, określenie wpływu położenia geograficznego na zdolność retencyjną zielonych dachów oraz określenie efektywności zielonych dachów na odciążenie sieci kanalizacyjnej współdziałającej ze zbiornikiem retencyjnym. Utylitarnym celem badań było określenie wartości współczynników spływu dla ekstensywnych zielonych dachów. Do udowodnienia postawionych tez Pani mgr inż. Małgorzata Sobczyk opracowała harmonogram i zakres badań realizowany w trzech etapach opisanych w kolejnych rozdziałach. Etap I to badania eksperymentalne na stanowiskach badawczych (rozdz. 6). Badania prowadzono na sześciu stanowiskach doświadczalnych ekstensywnych zielonych dachów, o różnych układach warstw, zlokalizowanych na dachu Instytutu Inżynierii Środowiska w Częstochowie wykonanych w latach 2013 (4 stanowiska) i 2015 (2 stanowiska). Zakres badań obejmował analizę zdolności retencyjnej ekstensywnych dachów zielonych na stanowiskach doświadczalnych na podstawie opadów o parametrach wyznaczonych według modelu Błaszczyka oraz Bogdanowicza i Stachy (IMGW) oraz określenie współczynników spływu dla różnego typu konstrukcji zielonych dachów i warunków początkowych (wariant A i wariant B). W wariancie A dach zielony charakteryzował się pełną zdolnością (okres bezdeszczowy poprzedzający badania wynosił 10 dni), a w wariancie B posiadał częściową zdolność retencyjną (badania wykonywane były 2 dni po wystąpieniu opadu). Opad o zadanej intensywności i czasie trwania (20 min) podawała deszczownica umieszczona nad stanowiskiem badawczym, za opady modelowe przyjęto model IMGW oraz model Błaszczyka. Odpływ z dachów zbierano do butelki w odstępach czasu 2 minut. W celu porównania skuteczności dachów zielonych w stosunku do dachów tradycyjnych zastosowano współczynnik spływu ψ oraz współczynnik redukcji przepływu RQ. Wyniki badań eksperymentalnych zaprezentowano w rozdz. 6.3. Dla dachu tradycyjnego kształt hydrogramów był bardzo zbliżony (rys. 6.5, 6.6) a wartości współczynników spływu mieściły się w zakresie 0,95 0,97. 3
Badania ekstensywnych zielonych dachów skoncentrowano na opadach według modelu IMGW (C = 2 lata, C = 5 lat, C = 10 lat), Hydrogramy odpływu przy pełnej zdolności retencyjnej (wariant A) prezentuje rys. 6.7 natomiast wartości współczynnika spływu tabela 6.4, a wartości współczynnika redukcji tabela 6.5. Otrzymane wyniki (współczynniki spływu) są zdecydowanie mniejsze niż wskazują na to wytyczne FLL. W tej sytuacji należałoby bardziej szczegółowo przeanalizować uwarunkowania. Porównując wartości współczynnika spływu ψ i redukcji szczytowego natężenia QR Doktorantka stwierdza, że w przypadku nawalnych opadów zielony dach w większym stopniu redukuje szczytowe wartości natężenia odpływu niż sumaryczne objętości odpływu. Hydrogramy odpływu przy częściowej zdolności retencyjnej (wariant B) prezentuje rys. 6.8 natomiast wartości współczynnika spływu tabela 6.6, a wartości współczynnika redukcji tabela 6.7. W wariancie częściowej zdolności retencyjnej występowały zdecydowanie większe wartości współczynników spływu, redukcji przepływu, czasów wystąpienia maksymalnego natężenia odpływu jak i całkowitego czasu trwania odpływu ze stanowisk. Wyniki badań wskazują, że współczynnik spływu rośnie wraz ze wzrostem natężeniem opadu i skróceniem okresów bezopadowych. W konkluzji Pani mgr inż. Małgorzata Sobczyk uważa, że nie powinno się przyjmować pełnej zdolności retencyjnej, jako podstawowego wariantu do obliczeń systemów odwodnienia. Etap II to analiza funkcjonowania zielonych dachów na podstawie ciągłego okresu obserwacji opadów w pięciu lokalizacjach na terenie Polski (Darłowo, Poznań, Warszawa, Częstochowa, Radziechowy) w celu oszacowania wpływu położenia geograficznego zielonego dachu na jego zdolność do redukowania odpływu wód opadowych (rozdz.7). Dane meteorologiczne (średnia temperatura powietrza, usłonecznienie rzeczywiste, suma opadów, prędkości wiatru) Doktorantka pozyskała z IMGW. Roczną sumę opadów w analizowanych miastach w latach 2010 2014 przedstawia rysunek 7.2, a z podziałem na miesiące rys. 7.3 Drugą najważniejszą składową bilansu wodnego dla zielonego dachu tj. ewapotranspirację określono ze wzoru Penmana Monteitha i choć jest dedykowany klasycznym uprawom, a nie zielonym dachom, jak podkreśla Doktorantka bazując na przeglądzie literaturowym jest stosowany z powodzeniem w analizowaniu dachów zielonych. Średnie miesięczne wartości ewapotranspiracji i opadu w poszczególnych miejscowościach dla analizowanego okresu obrazuje rys. 7.5, a wartości współczynnika spływu rys. 7.6. Wartości współczynnika spływu przy zmiennej wartości maksymalnej wysokości retencyjnej zielonego dachu wyznaczono na podstawie obliczeń bilansu wody z krokiem czasowym równym jednej doby. W części pracy Pani mgr inż. Małgorzata Sobczyk przeanalizowała również liczbę dni z pełną zdolnością retencyjną dachu zielonego w poszczególnych miastach (rys. 7.7) oraz liczbę dni w analizowanym okresie, dla których odnotowano odpływ z zielonego dachu (rys. 7.8). W rozdz. 8 Doktorantka prezentuje wyniki analizy oddziaływania zielonego dachu na infrastrukturę kanalizacyjną w oparciu o model hydrodynamiczny wykonany w programie Stormwater Management Model (SWMM 5.1). Opracowany model hydrodynamiczny dotyczy hipotetycznej zlewni odpowiadającej charakterystyce wielkoprzestrzennej handlowousługowej. System odwodnienia modelowej zlewni oparty jest na kanałach kołowych wymiarowanych na podstawie modelu opadów IMGW. Rozpatrywano dwa warianty tj. 4
bezpośrednie odprowadzenie wód opadowych do miejskiego systemu kanalizacyjnego bez zbiornika retencyjnego oraz odprowadzenie wód opadowych do miejskiego systemu kanalizacyjnego przy ograniczeniu natężenia odpływu i wyposażeniu układu w zbiornik retencyjny. Aby sprostać wymaganiom modeli hydrodynamicznych w zakresie dużej rozdzielczości czasowej opadów Doktorantka z danych IMGW za okres lat 2010 2014 wyselekcjonowała 20 dni z zarejestrowanymi sumami dobowymi, które następnie rozpisała na hietogramy opadów z krokiem czasowym 10 minut (rys. 8.7), a w analizach oddziaływania zielonego dachu na infrastrukturę kanalizacyjną posłużyła się modelem IMGW. Wyniki symulacji wpływu dachu zielonego na redukcję odpływu wód opadowych odprowadzanych do kanalizacji dla wariantu bez zbiornika retencyjnego obrazuje rys. 8.9. Dla małych wartości wysokości retencyjnej występuje bardzo dobra, bądź dobra korelacja pomiędzy objętością wód opadowych odprowadzanych do kanalizacji w wariancie dachu tradycyjnego oraz dachu zielonego, w przypadku większych wartości wysokości retencyjnej co najwyżej zadawalająca. Zestawienie liczby opadów, dla których otrzymano redukcję szczytowych natężeń przepływu w zależności od wysokości retencyjnej przedstawia tabela 8.4. Wyniki symulacji dla wariantu współdziałania zielonego dachu i zbiornika retencyjnego dla 20 opadów dla sumarycznej redukcji retencjonowanych w zbiorniku retencyjnym wód opadowych w zależności od wartości wysokości retencyjnej oraz przepływu zredukowanego ze zlewni przedstawia tabela 8.5. Doktorantka wnioskuje, że wpływ zastosowania zielonego dachu na odciążenie zbiornika wzrasta znacząco wraz ze wzrostem wartości zredukowanego natężenia odpływu ze zbiornika. Zależność między objętościami wód opadowych retencjonowanych w zbiorniku w wariancie dachu tradycyjnego oraz dachu zielonego dla zmiennych wartości wysokości retencyjnej przedstawiają rysunki 8.10 8.12. W przypadku natężeń odpływu zredukowanego 15 l/sha oraz 30 l/sha występuje bardzo dobre dopasowanie modelu do wartości rzeczywistych. Zestawienie liczby opadów, które spowodowały przepełnienie zbiornika retencyjnego dla różnych wariantów wykonania dachu przedstawione w tabeli 8.6 pokazuje wyraźny wpływ zastosowania zielonego dachu na zwiększenie niezawodności działania zbiornika retencyjnego. Zakończenie rozprawy stanowią: wnioski (rozdz. 9). W rozprawie zostało przedstawionych 6 wniosków. Zostały one precyzyjnie zredagowane i są dobrą rekapitulacją przeprowadzonych badań, świadczącą o ich realizacji w pełnym zakresie w stosunku do wcześniej zaplanowanego. Doktorantka w ostatnim zdaniu stwierdza, że wyniki przeprowadzonych badań potwierdzają konieczność prowadzenia dalszych testów i analiz dla zielonych dachów w warunkach krajowych, ze względu na duży wpływ lokalnych warunków klimatycznych. Spis literatury obejmuje 118 pozycji, na które składają się: publikacje zagraniczne (stanowią ponad połowę pozycji), publikacje krajowe, dyrektywy, normy, strony internetowe. Świadczy to o dobrej znajomości przez Doktorantkę piśmiennictwa dotyczącego tematyki rozprawy, zarówno krajowego jak i zagranicznego, które ze znawstwem cytowała w swojej rozprawie. Są to publikacje w języku polskim (48), języku 5
angielskim (60), w języku niemieckim (1) oraz 9 stron internetowych. Pani mgr inż. Małgorzata Sobczyk jest autorem 6 publikacji i współautorem w 4 publikacjach. Reasumując merytoryczną ocenę rozprawy stwierdzam, że Pani mgr inż. Małgorzata Sobczyk zaplanowała i przeprowadziła kompleksowe, pracochłonne i trudne w realizacji badania, które mają zarówno charakter naukowy, poznawczy jak i utylitarny. Doktorantka postawiła sobie bardzo szeroki zakres badań, gwarantujący udowodnienie tez. Bardzo ładnie graficznie prezentuje cały zakres swoich prac badawczych. Za istotny walor rozprawy należy uznać jej wymagany poziom naukowy oraz kompleksowy charakter zaprezentowanych rozważań. Bardzo dobra znajomość tematyki rozprawy literatury, sposób realizacji zadania naukowego świadczą o bardzo dobrym opanowaniu przez Doktorantkę umiejętności rozwiązywania złożonych problemów naukowych. Tezy rozprawy można uznać za udowodnione, cel rozprawy za wypełniony, a jej zakres za zrealizowany. 5. Uwagi szczegółowe 1. Brak numeracji wzorów 2. Str. 16. Do czasu opracowania atlasu PANDA w obliczeniach powinien być stosowany model IMGW (dla C>1 rok) oraz model Błaszczyka (dla C = 1) C = 1 dla modelu Błaszczyka przyjmowane jest tylko dla I kategorii standardu odwodnienia terenu! 3. Str. 25. Dach ocieplany zazwyczaj ma umieszczoną nad hydroizolacją posiada warstwę termoizolacji, która dociepla dach. W dachu odwróconym (niedocieplonym) warstwa hydroizolacji umieszczona jest pod termoizolacyjną 4. Str. 30. Zdanie niekompletne Zauważa się, iż za wymaganą powierzchnię biologicznie czynną uznaje się i daje to szereg możliwości zastosowania zielonych dachów na nowopowstałych budynków 5. Str. 67. W zdaniu Można zauważyć, że dla dwóch miejscowości zlokalizowanych w centralnej Polsce (Poznań i Warszawa) średnia miesięczne wysokości opadu są wyższe niż średnie miesięczne wartości ewapotranspiracji w całym okresie (kwiecień wrzesień) powinno być wyższe 6. Str. 77. Zdanie niekompletne Wprowadzenie ograniczeń w odpływie z danej nieruchomości wymaga od właściciela posesji zastosowania urządzeń retencyjnych, które przez nadmiar wód w przypadku wystąpienia opadów miarodajnych 7. Str. 91. Zdanie niekompletne O ile redukcja objętości wód retencjonowanych w komorach zbiornika o tyle redukcja liczby i objętości podtopień przyczynia się do obniżenia potencjalnych strat materialnych. 6
8. Str. 95 We wniosku 1. Jest Ψ = 0,20 powinno być Ψ = 0,25 9. Badania eksperymentalne na stanowiskach badawczych prowadzone były z wykorzystaniem wody wodociągowej. To odbiega od warunków rzeczywistych. Czy zdaniem Pani ma to wpływ na uzyskane wyniki zdolności retencyjnej dachów zielonych? 10. W metodyce badań efektywności zielonych dachów dla opadów rzeczywistych Doktorantka nie dość klarownie przedstawia algorytm wyznaczenia współczynnika spływu dla zielonych dachów, chodzi o wielkość odpływu. 6. Wniosek końcowy Przedstawiona przez Panią mgr inż. Małgorzatę SOBCZYK rozprawa doktorska pt. Analiza zdolności retencyjnej ekstensywnych dachów zielonych stanowi znaczące, wartościowe osiągnięcia jej Autorki i wnosi oryginalny wkład do rozwoju wiedzy o zagospodarowaniu i zarządzaniu wodami opadowymi w obszarach zurbanizowanych w aspekcie możliwości ich retencjonowania. Rozprawa spełnia w moim przekonaniu wymagania stawiane rozprawom doktorskim zawarte w art. 13 ust. 1 Ustawy z dnia 14 marca 2003 roku z późniejszymi zmianami, o stopniach naukowych, tytule naukowym oraz stopniach i tytule w zakresie sztuki [jedn. tekst Dz. U. Nr 84 poz. 455 (2011)]. Wobec tego wnoszę o dopuszczenie Doktorantki do dalszych etapów przewodu doktorskiego. Kraków, grudzień 2018 roku. 7