Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki Wydział Inżynierii Środowiska WYKORZYSTANIE SYSTEMÓW BIORETENCYJNYCH W CELU ZRÓWNOWAŻONEGO GOSPODAROWANIA WODAMI OPADOWYMI W TERENACH USZCZELNIONYCH dr hab. inż. Andrzej Wałęga dr inż. Marta Cebulska dr hab. inż. Wiesław Gądek, prof. PK V MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA LAS I WODA, Supraśl, 12-14 września 2017 r.
PLAN PREZENTACJI Wprowadzenie Charakterystyka obszaru badań Metodyka badań Wyniki badań Wnioski
Ryc. 1. Wpływ urbanizacji na zmiany składowych bilansu wodnego/influence of impervious on change of water balance WPROWADZENIE Proces urbanizacji powoduje zwiększenie powierzchni szczelnych na obszarze, gdzie dotychczas znajdowały się tereny przepuszczalne. W wyniku tych zmian opady deszczu, które dotychczas w naturalny sposób częściowo infiltrowały do gruntu, a częściowo wolno spływały po terenie do najbliższego odbiornika, mają ułatwioną drogę spływu i ograniczone możliwości infiltrowania do gruntu.
WPROWADZENIE Zmiany w uszczelnieniu zlewni uwidaczniają się w przebiegu hydrogramu przepływu Rys. 2. Zmiana reżimu hydrologicznego w wyniku urbanizacji/change of hydrological regime by urbanization [CWP 2003]
WPROWADZENIE Sposoby łagodzenia skutków uszczelnienia zlewni Podejście tradycyjne: kanalizacja i szybkie odprowadzenie wód w dolne partie zlewni Wzrost urbanizacji: większe i częstsze powodzie. Skupienie uwagi tylko na rzece nie rozwiązuje problemu Podejście zrównoważone: rozwiązania zwiększające retencję wody w całej zlewni,
WPROWADZENIE Celem prowadzonych badań było ocena możliwości zastosowania systemów bioretencyjnych do zdecentralizowanego zagospodarowania wód opadowych z obszaru uszczelnionego. Rys. 3. Schemat systemu bioretencyjnego [Wałęga i in. 2013] Schematic of a Bioretention Area Systemy bioretencyjne są płytkimi zagłębieniami, wypełnionymi mieszanką gruntową, obsadzone roślinnością w postaci m.in. drzew lub krzewów. Projektowane są w celu czasowego zatrzymania spływu opadowego w warstwie gruntu, gdzie podlega on procesom ewapotranspiracji i parowania, a nadmiar wody zostanie odprowadzony systemem drenażowym do odbiornika lub będzie infiltrował do gruntu.
CHARAKTERYSKA OBSZARU BADAŃ Tab. 1. Charakterystyka zlewni/ Characteristisc of watershed Parking Parametr/ Parameter Powierzchnia zlewni/area of watershed, ha Średni spadek/slope, % Procent uszczelnienia/ Impervious, % Wartość/Value 0,784 2,80 99,3 Rys. 4. Lokalizacja obszaru badań/location of watershed
CHARAKTERYSKA OBSZARU BADAŃ Woda opadowa z analizowanego parkingu za pomocą kanalizacji deszczowej jest odprowadzana do kanalizacji ogólnospławnej, która odbiera wody opadowe z części Kampusu UJ Rys. 5. Schemat kanalizacji deszczowej parkingu/scheme of storm sewages system from parking lot
Dane wejściowe do analizy: METODYKA BADAŃ Dane meteorologiczne dotyczące przebiegu opadów zanotowanych na stacji Ogród Botaniczny w Krakowie z okresu 2011-2015 w kroku czasowym Δt = 10 min. Opady maksymalne roczne o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 10% dla różnych czasów trwania obliczone za pomocą modelu Bogdanowicz-Stachy. Dokumentacja projektowa i powykonawcza dotycząca kanalizacji deszczowej i ogólnospławnej z analizowanego obszaru. Baza danych o systemie odwodnienia analizowanego obszaru pozyskana z zasobów Urzędu Miasta w Krakowie.
METODYKA BADAŃ Hietogram opadu o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 10% określono wg Eulera typ II, Spływ powierzchniowy obliczono za pomocą modelu hydrologicznego opartego na zbiorniku nieliniowym, Dla obszarów przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych określono wartości współczynnika szorstkości spływu powierzchniowego wg Manninga przyjmując dla: dachów i nawierzchni asfaltowych n = 0,011, parkingów z kostki betonowej n = 0,012, Wielkość retencji powierzchniowej dla powierzchni nieprzepuszczalnych i przepuszczalnych określono w oparciu o wytyczne ASCE [1992]. Dla powierzchni dachowych i dróg asfaltowych wielkość retencji powierzchniowej d p przyjęto na poziomie 1,27 mm, dla parkingów 2,4 mm Transformacja odpływu w systemie kolektorów i rowów została wykonana za pomocą fali dynamicznej opisanej jako pełne rozwiązanie jednowymiarowych równań przepływu Saint Venanta.
METODYKA BADAŃ Symulacja pracy systemu bioretencyjnego była przeprowadzona w oparciu o równania bilansu masy, opisujące zmianę objętości wody w każdej warstwie rys. 6, w czasie, jako różnicę między strumieniem dopływu a odpływu. Przyjęto, że powierzchnia systemu bioretencyjnego stanowić będzie 11,2 % powierzchni parkingu. Rys. 6. Schemat obliczeniowy systemu bioretencyjnego/calculation scheme of bioretention system [EPA 2014] Obliczenia hydrodynamiczne wykonano w programie SWMM EPA. 5.0
WYNIKI BADAŃ Stan istniejący Opad rzeczywisty z 16.08.2015 r. Charakterystyka/Char acteristics Suma opadu mm i czasie t = 70 min/sum of precipitation for t = 70 min, mm Qp z parkingu/qp from parking, dm3/s Objętość wylewu wody ze studzienki S403/Volume of flooding from node S403, m3 Wartość/Value 49,9 213,88 4,0 Rys. 7. Lokalizacja studzienek w których zidentyfikowano wylew wody oraz parametry charakteryzujące odpływ z epizodu rzeczywistego/location of the nodes with flooding and parameters outflow from observed precipitation
WYNIKI BADAŃ Zrzut wody z parkingu wywołał wylew wody ze studzienki/flooding was caused by outflow from parking parking Rys. 8. Profil kolektora na odcinku od studzienki S421 do wylotu w ul. Grota-Roweckiego w trakcie maksymalnego napełnienia w wyniku opadu z 16.08.2015 r./maximum high water level into channel during observed precipitation event
WYNIKI BADAŃ Opad o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 10% i czasie trwania t = 180 min Charakterystyka/Char acteristics Suma opadu mm i czasie t = 180 min/sum of precipitation for t = 180 min, mm Qp z parkingu/qp from parking, dm3/s Objętość wylewu wody ze studzienki S403/Volume of flooding from node S403, m3 Wartość/Value 44,0 323,76 24,0 Rys. 9. Lokalizacja studzienek w których zidentyfikowano wylew wody oraz parametry charakteryzujące odpływ z opadu prawdopodobnego/location of the nodes with flooding and parameters outflow from probable precipitation
WYNIKI BADAŃ Zrzut wody z parkingu wywołał wylew wody ze studzienki/flooding was caused by outflow from parking parking Rys. 10. Profil kolektora na odcinku od studzienki S421 do wylotu w ul. Grota-Roweckiego w trakcie maksymalnego napełnienia w wyniku opadu prawdopodobnego/ Maximum high water level into channel during probable precipitation
WYNIKI BADAŃ Wariant z uwzględnieniem systemu bioretencyjnego Opad rzeczywisty z 16.08.2015 r. Charakterystyka/Char acteristics Redukcja przepływu w kulminacji/reduction of peak flow, dm3/s Redukcja kulminalcji/ Reduction of peak flow, % Wartość/Value 118,21 55,3 Rys. 11. Hydrogramy odpływu powierzchniowego z parkingu w wariancie z i bez systemu bioretencyjnego/surface runoff hydrogram from parking lot with and without bioretention areas
WYNIKI BADAŃ Nadpiętrzenie wody w studzience bez wylewu/node surcharge without flooding Profil kolektora na odcinku od studzienki S421 do wylotu w ul. Grota-Roweckiego w trakcie maksymalnego napełnienia w wyniku opadu prawdopodobnego/ Maximum high water level into channel during probable precipitation
WYNIKI BADAŃ Wariant z uwzględnieniem systemu bioretencyjnego Opad o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 10% i czasie trwania t = 180 min Charakterystyka/Char acteristics Redukcja przepływu w kulminacji/reduction of peak flow, dm3/s Redukcja kulminalcji/ Reduction of peak flow, % Wartość/Value 176,72 54,6 Rys. 12. Hydrogramy odpływu powierzchniowego z parkingu w wariancie z i bez systemu bioretencyjnego/surface runoff hydrogram from parking lot with and without bioretention areas
WYNIKI BADAŃ Nadpiętrzenie wody w studzience bez wylewu/node surcharge without flooding Rys. 13. Profil kolektora na odcinku od studzienki S421 do wylotu w ul. Grota-Roweckiego w trakcie maksymalnego napełnienia w wyniku opadu prawdopodobnego/ Maximum high water level into channel during probable precipitation
WNIOSKI Uszczelnienie zlewni wpływa na wzrost odpływu powierzchniowego i zwiększa ryzyko wystąpienie podtopień w zlewniach; Zastosowanie systemów bioretencyjnych zwiększa retencję w zlewni uszczelnionej. Sprzyja to zmniejszeniu kulminacji fal wezbraniowych oraz przyczynia się do odciążenia systemu kanalizcyjnego; Roślinność stanowiąca integralną część systemu bioretencyjnego zwiększa straty opadu na ewapotranspirację, zmniejszając współczynnik spływu, wpływa także na poprawę warunków krajobrazowych w zlewni miejskiej. Systemy bioretencyjne odgrywają istotną rolę w podczyszczaniu spływów opadowych; Zastosowanie specjalistycznych programów komputerowych, jak SWMM EPA, umożliwia wykonanie wielowariantowych obliczeń hydrodynamicznych uwzględniajacych także wpływ urządzeń do zdecentralizowanego zagospodarowania wód opadowych, jak systemy bioretencyjne.
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ