Metody efektywnego wymiarowania zbiorników grawitacyjno-podciśnieniowych Maciej Mrowiec, Adam Kisiel* ) 1. Wrowadzenie Koncepcja wykorzystania zbiorników grawitacyjno-podciśnieniowych została przedstawiona przez Kisiela [5] jako alternatywne rozwiązania dla tradycyjnie stosowanych zbiorników o grawitacyjnym sposobie akumulacji ścieków. Opracowane zostały 4 konstrukcje zbiorników, których komora retencyjna była przeznaczona w całości (zbiornik typu COMMODUS-S) lub częściowo do podciśnieniowej akumulacji ścieków deszczowych (zbiornik typu MIRUS-S, CON- SES-S, PARKUS-S). Wykorzystanie podciśnienia do retencjonowania ścieków umożliwia osiągnięcie wymiernych korzyści zarówno na etapie inwestycji, jak i wieloletniej eksploatacji zbiornika. Do podstawowych zalet zbiornika należy zaliczyć: możliwość prawie dowolnego przestrzennego ukształtowania bryły zbiornika szczególnie w odniesieniu do poziomu zwierciadła ścieków w dopływie do niego. Zwiększa to zakres stosowania tych zbiorników w praktyce wliczając możliwość ich realizacji na terenach płaskich topograficznie oraz hydrogeologicznie trudnych, to znaczy takich, w których zbiorniki wielokomorowe o działaniu grawitacyjnym realizowane być nie mogą, znacznie mniejszą głębokość ułożenia kolektora odpływowego ze zbiornika na niż to ma miejsce w rozwiązaniach wielokomorowych zbiorników o działaniu grawitacyjnym, osiągnięcie efektu prawie stałego natężenia odpływu ścieków ze zbiornika zarówno w fazie jego napełniania jak również podczas opróżniania podciśnieniowej komory retencyjnej, co powoduje zdolność szybkiego odzyskiwania pojemności retencyjnej zbiornika. Spośród przedstawionych konstrukcji na szczególną uwagę zasługuje zbiornik typu PARKUS-S, który praktycznie nie różni się od klasycznej konstrukcji zbiornika wyposażonego w przelew boczny i zawór klapowy. Nie wymaga on dodatkowego stropu rozdzielającego komory górną i dolną jak w zbiornikach MIRUS-S I CONSES-S oraz w zbiornikach pompowych, co znacząco redukuje koszty jego wykonania, zachowując jednocześnie podstawowe zalety hydraulicznego działania. Zbiornik tego typu może zostać wykonany na bazie istniejącego zbiornika o działaniu grawitacyjnym, dzięki czemu możliwe jest pełne wykorzystanie objętości dotychczas nieużytkowanej (pomiędzy maksymalnym napełnieniem w warunkach grawitacyjnych a stropem komory [6]). * ) Maciej Mrowiec, Adam Kisiel Politechnika Częstochowska, Instytut Inżynierii Środowiska, ul. Brzeźnicka 60, 42-200 Częstochowa Rys. 1. Możliwości wykonania komory do retencji podciśnieniowej w porównaniu do tradycyjnego zbiornika: a) ograniczenie powierzchni zajmowanej przez zbiornik; b) ograniczenie powierzchni z jednoczesnym wypłyceniem ułożenia kolektora odpływowego; c) komora retencyjna zlokalizowana w pewnej odległości od głównego kanału powyżej poziomu gruntu Ta dodatkowa objętość, w zależności od konkretnych rozwiązań, może sięgać nawet 25 35% pojemności retencyjnej dla warunków wyłącznie grawitacyjnych (np. wykorzystanie 0,5 m wysokości przy maksymalnym napełnieniu komory grawitacyjnej 2,0 m). Oznacza to możliwość przyjęcia przez sieć dodatkowej ilości ścieków przy niewielkich nakładach inwestycyjnych związanych z gazoszczelnością górnej części komory, przegrody oddzielającej komorę przepływową od retencyjnej oraz dmuchawy wraz z oprzyrządowaniem. 2. Wymiarowanie podciśnieniowych zbiorników retencyjnych Zasadniczą kwestią przy projektowaniu zbiorników retencyjnych odciążających hydraulicznie sieć kanalizacyjną jest określenie ich wymaganej pojemności retencyjnej. W przypadku zbiorników grawitacyjno-podciśnieniowych dodatkową kwestią jest podział pojemności retencyjnej pomiędzy komorę grawitacyjną i podciśnieniową. Przy wymiarowaniu zbiorników retencyjnych odciążających hydraulicznie sieć kanalizacyjną można wyróżnić następujące grupy metod: metody oparte na uniwersalnych krzywych IDF (intensity-duration-frequency) np. metoda Błaszczyka [4] i metoda Dziopaka [3], oraz metody zaproponowanej przez Mrowca [10], opartej na wzorach opracowanych przez IMiGW [1], analiza danych o opadach atmosferycznych zarejestrowanych na deszczomierzu w danej miejscowości, modele hydrodynamiczne. Każda z grup metod wymiarowania charakteryzuje się odmiennym poziomem dokładności oraz pracochłonności przy zastosowaniach inżynierskich [8]. Możliwości optymalnego podziału objętości retencyjnej pomiędzy komorę podciśnie- 22 GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA LIPIEC SIERPIEŃ 2008
Rys. 2. Nomogram Błaszczyka do wyznaczania objętości zbiorników retencyjnych [50] niową i grawitacyjną także będą ograniczone ilością zmiennych parametrów, opisujących zjawisko opad-odpływ w konkretnych metodach. 3. Wyznaczanie pojemności retencyjnej w oparciu o krzywe IDF Metoda Błaszczyka w swych podstawowych założeniach jest podobna do wcześniej zaproponowanej metody Annena i Londonga. Na podstawie podstawowego dla wymiarowania parametru jakim jest współczynnik redukcji przepływu: Q 0 β = Q gdzie: Q 0 natężenie odpływu ze zbiornika, Q M maksymalne miarodajne natężenie dopływu do zbiornika. oraz wartości czasu miarodajnego do wymiarowania sieci deszczowej (T P ), z nomogramu (rys. 2) należy odczytać wskaźnik jednostkowej objętości retencyjnej α [m 3 /ha] dla żądanej częstotliwości występowania deszczu (c). Objętość zbiornika oblicza się wg wzoru: = α F zr [ m3 ] gdzie F zr zredukowana powierzchnia zlewni. Na tych samych wzorach, określających natężenie deszczu oparta jest metoda zaproponowana przez Dziopaka [3]. Obliczenia sprowadzają się do wyznaczenia czasu trwania deszczu miarodajnego do wymiarowania zbiorników i w zależności od jego relacji do czasu trwania deszczu do wymiarowania sieci stosuje się następnie jeden z dwóch wzorów do obliczenia całkowitej objętości zbiornika. Różnice pomiędzy obiema metodami są znaczne (nawet kilkadziesiąt procent), gdy współczynnik redukcji przepływu β > 0,5. Warto zwrócić uwagę, że zbiorniki są zazwyczaj projektowane dla częstotliwości występowania deszczu c 1, ponieważ przepełnienie zbiornika powoduje większe straty niż przepełnienie sieci [12]. Miarodajne natężenie deszczu dla przekroju kanalizacyjnego ma powodować jego częściowe wypełnienie, zatem posiada on jeszcze niewielką rezerwę przepustową, a dodatkowo w pewnym zakresie kanalizacja może działać w warunkach ciśnieniowych nie powodując bezpośredniego wypływu wód na powierzchnię. M Tabela Procentowy udział pojemności komory podciśnieniowej dla różnych wartości c Częstotliwość występowania deszczu dla komory Częstotliwość występowania deszczu dla całego zbiornika grawitacyjnej c=2 c=5 c=10 c=20 c=1 20,5% 41,5% 53,5% 63,0% c=2-26,3% 41,5% 53,5% W przypadku obydwu metod wpływ wartości częstotliwości występowania deszczu na uzyskiwane objętości opisywany jest zależnością: 0,333 = f c = ( ) Przy projektowaniu zbiorników grawitacyjno-podciśnieniowych w oparciu o krzywe IDF można przyjąć założenie, że cały zbiornik jest projektowany dla częstotliwości c=2, 5 czy 10 lat, ale komora grawitacyjna jest obliczona dla rocznej częstotliwości występowania deszczu. Można w ten sposób określić udział komory podciśnieniowej w całkowitej pojemności zbiornika, co przedstawiono w tabeli. Obecnie stosowane metody wymiarowania oparte są na wzorze Błaszczyka, który został opracowany na podstawie danych z wybranych 67 lat okresu sprzed 1959 roku dla Warszawy [7]. Zachodzące w ostatnich dziesięcioleciach zmiany klimatyczne w sposób zauważalny zmieniają charakterystyki opadów, dlatego też zasadnym stało się oparcie metod wymiarowania na danych bardziej aktualnych, obejmujących więcej stacji pomiarowych. Tego typu opracowanie zostało wykonane w końcu lat 90 [1]. Na podstawie ogólnopolskich danych z lat 1960-1990 opracowano formułę do określania wysokości opadu deszczu o czasie trwania T i prawdopodobieństwie wystąpienia p: ( ) 0,548 0,33 P = 1,42 T + ω ln p [mm] gdzie: T czas trwania deszczu [min], p prawdopodobieństwo wystąpienia deszczu, α G współczynnik geograficzny, zależny od położenia miejscowości (Polska została podzielona na dwie strefy z wyłączeniem terenów górskich w płd. części kraju). W oparciu o to równanie opracowano nomogramy do wymiarowania zbiorników retencyjnych dla czasu trwania desz- GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA LIPIEC SIERPIEŃ 2008 23
Jak widać na rys. 3b objętość zbiornika retencyjnego dla częstotliwości c=2 lata będzie ok. 3 4 razy większa (w zależności od T P i β) od zbiornika projektowanego na deszcz roczny. Uwzględnienie zmiennej wartości współczynnika χ jest szczególnie istotne, gdy występuje duża redukcja przepływu (tzn. gdy β (0,1;0,3). Przykładowo dla β=0,2 i c=5 lat (rys. 3c) wartość współczynnika χ mieści się w zakresie od 4,35 do 5,35. Warto zwrócić uwagę na niewielką różnicę pomiędzy objętością zbiornika dla c = 5 lat (χ (4;6)) a ob- czu do 120 minut oraz współczynnika redukcji przepływu β 0,1;0,9 [10]. Analogicznie jak w metodzie Błaszczyka wymagana pojemność retencyjna jest tu iloczynem powierzchni zredukowanej oraz jednostkowej pojemności retencyjnej odczytanej z nomogramu (rys. 3a dla c=1) w oparciu o współczynnik β oraz czas miarodajny do wymiarowania sieci T P. Dla przypadków, gdy zbiornik ma być zaprojektowany dla częstotliwości występowania deszczu większej niż 1 rok, w proponowanej metodzie opracowane zostały nomogramy do wyznaczania żądanej objętości w oparciu o tzw. współczynnik częstotliwości występowania deszczu χ definiowany, jako: c χ = 1 c = 1 Stąd w przypadku, gdy zbiornik ma być zaprojektowany dla częstotliwości innej niż 1 rok, to jego objętość oblicza się wg formuły: = χ c 1 c = 1 jętością wyznaczoną dla deszczu o częstotliwości c=10 lat (χ = (5;7) (rys. 3d). Porównanie uzyskanych wyników z dotychczas stosowanymi metodami wykazało, że pojemności retencyjne obliczone wg wzoru Błaszczyka dla rocznej częstotliwości występowania deszczu są większe przeciętnie o ok. 45 50% od wartości uzyskiwanych w metodzie zaproponowanej przez Mrowca. Natomiast dla częstotliwości występowania deszczu c 1 (2, 5, 10 lat) wymagane pojemności retencyjne zbiornika wg proponowanej metody są większe przeciętnie o 30 60 (w zależności od T P i β) od wyników otrzymywanych wg metody Błaszczyka. Odnosząc uzyskane wyniki do kwestii podziału pojemności retencyjnej w zbiornikach grawitacyjno-podciśnieniowych można tu wyprowadzić ogólną zależność, umożliwiającą obliczenie procentowego udziału komory podciśnieniowej: χ TOT χ GR P POD = 100 [ % ] χ TOT gdzie: χ TOT współczynnik częstotliwości dla całego zbiornika χ GR współczynnik częstotliwości dla komory grawitacyjnej (dolnej). W przypadku, gdy komora grawitacyjna ma być projektowana dla jednorocznej częstotliwości występowania, wtedy χ GR =1. W przedstawionych metodach bazowano na standardowo stosowanych wartościach c; możliwe jest jednak stosowanie wartości pośrednich (np. dla c=4 czy też c=8 lat), natomiast wadą krzywych IDF jest niemożność ich stosowania do ob- Rys. 3. Wykresy do wymiarowania zbiorników: a) wyznaczanie czasu trwania deszczu miarodajnego do wymiarowania zbiorników b) wyznaczanie objętości zbiornika dla c=2 lata, c) wyznaczanie objętości zbiornika dla c=5 lat, d) wyznaczanie objętości zbiornika dla c=10 lat 24 GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA LIPIEC SIERPIEŃ 2008
liczania opadów o częstotliwościach c<1. Jest to istotna niedogodność uniemożliwiająca określenie częstotliwości wypełniania komory podciśnieniowej i związanych z tym kosztów eksploatacyjnych. Innym problemem są trudności przy stosowaniu tych metod na zlewniach istniejących, które rozbudowane zostały w sposób niekontrolowany, co przejawia się w problemach z precyzyjnym określeniem czasu T P. 4. Wyznaczanie pojemności retencyjnej w oparciu o szczegółowe dane o opadach W przypadku, gdy dla danej zlewni dostępne są dane dotyczące opadów atmosferycznych za okres ostatnich kilku lat, projektowanie zbiorników retencyjnych może być przeprowadzone z większą dokładnością. Okres zbierania danych powinien być możliwie jak najdłuższy preferowany okres 20 25 lat jest często trudny do uzyskania, dlatego 10 lat jest zazwyczaj przyjmowane jako okres wystarczający, zaś okres 5 lat należy traktować jako niezbędne minimum [2]. Problemem jest kwestia zapisu danych o opadach, a konkretnie rozdzielczość, z jaką rejestrowane są sumy opadowe jako minimum powinno się założyć 10-minutowe sumy opadów. Niestety w wielu polskich miastach nadal brak jest rejestratorów działających automatycznie z taką rozdzielczością [7]. W oparciu o archiwalne paski pluwiograficzne można oczywiście dokonać obróbki zgromadzonych danych dla krótkich przedziałów czasowych, jednakże jest to proces niezwykle pracochłonny, a co za tym idzie kosztowny. Dodatkowym problemem jest jednopunktowy charakter pomiarów opadów atmosferycznych, uniemożliwiający uwzględnienie ich nierównomierności przestrzennej. Jednym z możliwych uproszczeń przy analizie danych o opadach na potrzeby projektowania zbiorników retencyjnych jest przyjęcie obliczenia wartości średnich dla wszystkich zdarzeń opadowych występujących w danym okresie. Dzięki temu analiza pasków pluwiograficznych znacząco się upraszcza, ograniczając się do wyznaczenia wysokości opadu w danym przedziale czasowym (istotny jest tylko początek i koniec danego zjawiska opadowego). Problemem jest tu często kwestia przyjęcia okresu czasu bezdeszczowego, który rozdziela dwa występujące po sobie opady w literaturze sugeruje się zazwyczaj 1 godzinę. Po naniesieniu wszystkich zdarzeń opadowych otrzymujemy diagram opadów średnich dla rozpatrywanego okresu pomiarowego (rys. 4) [11]. Rys. 5. Przykładowy diagram odpływu Następnie należy skonstruować tzw. diagram odpływu, uwzględniający straty opadu oraz proste odpływu z projektowanego zbiornika retencyjnego. Na straty opadu składa się: retencja terenowa powierzchni nieprzepuszczalnych (w zakresie 0,5 3,0 mm, zazwyczaj 1,5 mm) oraz parowanie (w zakresie 1,0 1,5 dm 3 /sha) (rys. 5). W metodzie tej, podobnie jak we wcześniej opisanych metodach, zakłada się, że odpływ z powierzchni przepuszczalnych jest równy zero, co nie jest prawdą w przypadku bardzo długich oraz bardzo intensywnych opadów. Jeżeli w procesie projektowania natężenie odpływu q 0 =Q 0 /F zr jest z góry narzucone, to na diagramie będzie tylko jedna prosta. Optymalizacja doboru wymaganej pojemności retencyjnej jest tu wykonywana poprzez odpowiednie nałożenie na siebie obydwu diagramów wykonanych w tej samej skali (rys. 6). Diagram odpływu przesuwany jest w poziomie o czas miarodajny do wymiarowania przekroju kanału doprowadzającego ścieki do zbiornika (T P ). Wymaganą wysokość retencyjną (wyrażoną w mm wysokości opadu) otrzymujemy poprzez przesunięcie diagramu odpływu na osi rzędnych. Objętość retencyjną wyrażoną w m 3 otrzymujemy mnożąc otrzymaną wysokość retencyjną (wyrażoną w metrach) przez zredukowaną powierzchnię zlewni (wyrażoną w m 2 ). Punkty znajdujące się powyżej prostej odpływu (na przykładowym diagramie są to 4 punkty) są opadami, które spowodują przepełnienie zbiornika w rozpatrywanym czasie. Na Rys. 4. Przykładowy diagram opadów średnich dla stacji pomiarowej Rys. 6. Wyznaczanie pojemności retencyjnej zbiornika grawitacyjnego z uwzględnieniem podziału na część grawitacyjną i podciśnieniową w oparciu o diagramy opadu i odpływu GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA LIPIEC SIERPIEŃ 2008 25
tej podstawie można określić krotność przeciążenia zbiornika także dla okresów krótszych niż jeden rok. Przyjmując, że przykładowy diagram uwzględnia opady z okresu 2 lat, otrzymalibyśmy częstotliwość przeciążenia zbiornika raz na 6 miesięcy (4 opady powyżej prostej odpływu). Nanosząc na diagram prostą równoległą do prostej odpływu, przesuniętą w dół o wysokość retencyjną, możemy określić zbiór opadów, które spowodują częściowe wypełnienie zbiornika retencyjnego (punkty pomiędzy prostymi). Jest to doskonały materiał do optymalnego doboru udziału komory podciśnieniowej w całkowitej pojemności retencyjnej, ponieważ pozwala określić statystyczną częstotliwość załączania dmuchawy oraz ich przybliżony czas pracy. Podział pojemności retencyjnej pomiędzy komory: podciśnieniową ( P ) i grawitacyjną ( G ) wykonuje się poprzez umieszczenie dodatkowej prostej równoległej do prostej odpływu (zielona linia na rys. 6). Dla przykładowego diagramu można sporządzić następująca statystykę: 18 razy wypełniona była częściowo komora grawitacyjna, 6 razy częściowo wypełniona komora podciśnieniowa (w tych przypadkach komora dolna wypełniona całkowicie), 4 razy wypełniony był cały zbiornik (obydwie komory całkowicie). Czas pracy dmuchaw oraz związane z tym koszty energii elektrycznej można w przybliżeniu obliczyć dzieląc zsumowaną objętość ścieków przez średnią wydajność dmuchawy. W przypadku całkowitego wypełnienia komory podciśnieniowej obliczenie tej pojemności jest oczywiste, natomiast dla częściowego wypełnienia komory należy zmierzyć wysokość pomiędzy danym punktem (opadem) a linią podziału. W ten sposób otrzymujemy wysokość retencyjną dla samej komory retencyjnej, którą przeliczamy na m 3 podobnie jak wcześniej całą pojemność zbiornika. Do bilansu energetycznego należy doliczyć czas pracy przeznaczony dla okresowej wentylacji zbiornika retencyjnego. Ponieważ brak jest w tym zakresie wytycznych, częstotliwość wentylacji musi być określona przez eksploatatora/inwestora. Przesuwając linię podziału otrzymujemy odmienną statystykę, poszukując wariantu optymalnego uwzględniając statystyczne koszty eksploatacyjne (energia) oraz koszty stałe (przeglądy techniczne, amortyzacja części itp.) oraz koszty budowy zbiornika w danym wariancie (rys. 7). W procesie optymalnego określania udziału objętości wypełnianej Rys. 7. Wyznaczanie optymalnego udziału komory podciśnieniowej w oparciu o analizę kosztów inwestycji podciśnieniowo w całkowitej objętości retencyjnej należy uwzględnić przynajmniej 3 4 warianty. W praktyce może wystąpić sytuacja, gdy z uwagi na ograniczenia lokalizacyjne podciśnieniowa pojemność retencyjna zbiornika będzie narzucona z góry i w analizie będzie trzeba jedynie określić, jakie będą koszty jej eksploatowania. Praktycznie zawsze zalecane będzie zastosowanie przynajmniej dwóch dmuchaw załączających się w zależności od zmieniających się warunków na dopływie podobnie jak w przypadku stosowania pompowni tradycyjnych. Zwiększa to efektywność działania urządzeń oraz stopień niezawodności całego układu. Analizując rozkład średnich opadów należy pamiętać, że uśrednienie nie daje pełnej informacji odnośnie chwilowych wartości szczytowych dla danego zdarzenia. W efekcie deszcz o średnim natężeniu mniejszym niż jednostkowy odpływ zredukowany (q 0 ) może mieć chwilową (szczytową) wartość natężenia, powodującą zadziałanie przelewu czy też załączenie dmuchawy w komorze podciśnieniowej. Aby wykazać wpływ uśrednienia pomiarów na wyznaczanie pojemności retencyjnej przeanalizowano 4 opady atmosferyczne o największej intensywności, które wystąpiły w Częstochowie w roku 2007 zapisane jako sumy 10-minutowe: deszcz z dn.26.05.2007; czas trwania 1 h 10 min; całkowita wysokość opadu 26,9 mm, średnie natężenie 23,1 mm/h, deszcz z dn.21.06.2007; czas trwania 3 h 50 min; całkowita wysokość opadu 44,7 mm, średnie natężenie 11,1 mm/h, Rys. 8. Histogramy opadów zapisanych jako sumy 10-minutowe: a) opad z dn. 21.06.2007; b) opad z dn.18.09.2007 26 GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA LIPIEC SIERPIEŃ 2008
Rys. 9. Wyznaczanie współczynnika redukcji przepływu dla opadu uśrednionego (opad z dn.26.05.2007) deszcz z dn.18.09.2007; czas trwania 50 min; całkowita wysokość opadu 16,6 mm, średnie natężenie 19,9 mm/h, deszcz z dn. 27.07.2007; czas trwania 1 h 20 min; całkowita wysokość opadu 12,9 mm, średnie natężenie 9,7 mm/h, W pierwszym wariancie obliczono wymaganą wysokość retencyjną (w mm) dla wartości uśrednionej opadu. Wartości współczynnika redukcji przepływu β obliczano jako dziesiąte części średniego natężenia opadu h śred (rys. 9). W efekcie otrzymano dla każdego opadu liniowe zależności pomiędzy współczynnikiem β a wymaganą wysokością retencyjną (rys. 10). W drugim wariancie obliczenia wymaganej pojemności przeprowadzono dla rzeczywistego kształtu histogramów przy zachowaniu 10-minutowego kroku czasowego. Ponieważ celem obliczeń było porównanie wyników dla obydwu wariantów zapisu tego samego opadu, to w tym wariancie zachowano wartości dla współczynnika β obliczone w wariancie pierwszym. Wymaganą pojemność retencyjną obliczano analogicznie jak dla wyrównawczych zbiorników wodociągowych, bilansując wysokości opadu dla zadanej wartości β, uwzględniając proces opróżniania zbiornika w przedziałach, w których dopływ był mniejszy niż q 0. Rys. 10. Porównanie wymaganych wysokości retencyjnych wyznaczonych w oparciu o wartości średnie oraz bilansowanie wysokości opadu dla sum dziesięciominutowych Rys. 11. Względna różnica wysokości retencyjnej w zależności od współczynnika β Jak widać na rys. 10 wymagane wysokości retencyjne, obliczone na bazie 10-minutowych sum opadowych, były wyraźnie wyższe od wartości średnich opadu dla wszystkich trzech rozpatrywanych opadów. Różnice w otrzymywanych wartościach zwiększały się znacząco ze wzrostem wartości współczynnika β. Ponieważ każdy z rozpatrywanych opadów miał odmienna charakterystykę (czas trwania, całkowita wysokość, natężenie, rozkład w czasie), to różnice wysokości retencyjnej dla poszczególnych współczynników β odniesiono do całkowitej wysokości opadów. Otrzymano w ten sposób tzw. względną różnicę wysokości retencyjnych DH R : DH R H H H R10 RSR = 100 [ % ] CA gdzie: H R10 wysokość retencyjna dla deszczu zapisanego jako sumy 10-minutowe H RSR wysokość retencyjna dla opadu średniego H CA całkowita wysokość opadu Choć analiza dotyczyła tylko 4 wyselekcjonowanych opadów, to przedstawione na rys. 11 wyniki obliczeń nie pozostawiają wątpliwości, że dla wartości współczynnika redukcji przepływu większych od 0,5 różnice w otrzymanych wynikach są znaczące i sięgają kilkudziesięciu procent. Można zatem stwierdzić, że projektowanie zbiorników retencyjnych dla tego zakresu współczynnika β w oparciu o średnie natężenia deszczu będzie obarczone dużym błędem niedoszacowania wymaganej pojemności retencyjnej. Dla wartości β poniżej 0,5 problem niedoszacowania pojemności retencyjnej jest mniejszy i wynosi od kilku do kilkunastu procent. 5. Wyznaczanie pojemności retencyjnej podciśnieniowej w oparciu o modele hydrodynamiczne Z pewnością najdokładniejszym sposobem wyznaczenia wymaganej pojemności retencyjnej jest wykonanie modelu hydrodynamicznego sieci kanalizacyjnej wraz obsługiwaną zlewnią w jednym z dostępnych programów (np. SWMM5, GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA LIPIEC SIERPIEŃ 2008 27
wynosi blisko 250 m 3, co przekłada się na kilkudziesięcioprocentowy błąd, a dla β=0,6 oznacza dwukrotnie większą objętość retencyjną. Wnioski Rys. 12. Porównanie wyników obliczeń wymaganej objętości retencyjnej przy zastosowaniu modelu hydrodynamicznego oraz uproszczonego bilansu opadu MOUSE, Hydra). Każdy z tych programów wymaga wiarygodnych danych o opadach, umożliwiających przeprowadzenie kalibracji modelu, dlatego także i w tym przypadku nie można uniknąć problemu dostępności danych pluwiograficznych o dużej rozdzielczości (np. 10 min). Po dokonaniu kalibracji projektant może w krótkim czasie przeprowadzić wielowariantową analizę wykonania zbiornika retencyjnego zarówno długookresową (np. dla całego roku) jak i dla pojedynczych opadów nawalnych. Wymiary zbiornika nie są przez program obliczane automatycznie należy wprowadzić parametry zbiornika i po serii obliczeń obserwować, czy dana konstrukcja spełnia oczekiwane zadania (stopień wypełnienia, częstotliwość przepełniania itp.) [9]. Mimo że żaden z dostępnych programów nie zawiera modułów umożliwiających wprost symulowania działania zbiorników podciśnieniowych, to wykorzystując moduły do modelowania pompowni i tzw. reguły sterujące można pośrednio symulować współdziałanie tego typu zbiorników z siecią (m.in. częstotliwość i stopień wypełnienia komory podciśnieniowej). Uwzględnienie dużej ilości parametrów, mających wpływ na zjawisko opad-odpływ (m.in. występowania retencji kanałowej) powoduje, że uzyskiwane wyniki różnią się od uzyskiwanych wg metod uproszczonych. Przykładem jest tu choćby uwzględnienie odpływu wód opadowych z powierzchni przepuszczalnych, który występuje przy wyjątkowo intensywnych deszczach. Wykonane obliczenia modelowe dla zlewni miejskiej o całkowitej powierzchni zlewni zredukowanej równej 12,6 ha potwierdziły występowanie znaczących różnic w odniesieniu do wcześniej opisywanych metod. Uzyskane wyniki z modelu odniesiono do najbardziej dokładnej metody uproszczonej, tj. bilansowania wysokości opadu, która uwzględnia nierównomierność czasową opadu oraz występowanie strat (retencja terenowa, parowanie). Jak widać na rys. 10, wyniki uzyskane dla opadu z dn. 26 maja pokrywają się z dużą dokładnością z wynikami symulacji hydrodynamicznej, jednak już dla opadu z dn. 18 września otrzymywane wyniki są wyraźnie wyższe dla metody uproszczonej. Średnia bezwzględna różnica Zbiorniki o działaniu grawitacyjno-podciśnieniowym stanowią doskonałe rozwiązanie techniczne na obszarach zurbanizowanych, gdzie brak jest miejsca pod budowę otwartych konstrukcji. Umożliwiają one płytsze posadowienie dna zbiornika i kanału odpływowego oraz ograniczenie powierzchni wykopu w planie dzięki wykorzystaniu pojemności retencyjnej ponad swobodnym zwierciadłem ścieków w dopływie. Przedstawione w artykule metody określania udziału pojemności retencyjnej napełnianej podciśnieniowo w całkowitej objętości zbiornika retencyjnego mają zróżnicowany poziom dokładności i mogą prowadzić do bardzo rozbieżnych wyników. W praktyce wyznaczanie pojemności retencyjnej zbiornika powinno być oparte na modelach hydrodynamicznych, uwzględniających szerokie spektrum parametrów wpływających na przebieg zjawiska opad-odpływ. Niestety w większości przypadków brak jest monitoringu danych o opadach bądź jest on prowadzony dla bardzo długich przedziałów czasowych (np. 1 godzina), co czyni je bezużytecznymi z punktu widzenia modelowania odpływu ze zlewni miejskich. Najpowszechniej stosowane metody wymiarowania oparte na uniwersalnych krzywych IDF są obarczone największym błędem i powinny być stosowane w ostateczności, gdy brak jest innych danych o opadach. Piśmiennictwo [1] Bogdanowicz E., Stachy J.: Maksymalne opady deszczu w Polsce. Charakterystyki projektowe, Materiały badawcze, Seria: Hydrologia i Oceanologia nr 23, IMiGW, Warszawa1998. [2] Butler D., Davies J.W.: Urban drainage, E & FN Spoon, London 2000. [3] Dziopak J.: Multi-chamber storage reservoirs in the sewerage system, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 1997. [4] Kalinowski M.: Zasady projektowania zbiorników retencyjno-sedymentacyjnych ścieków deszczowych, Podstawy gospodarki wodno-ściekowej w miastach i osiedlach, pod red. Osmólskiej-Mróz B., Instytut Ochrony Środowiska, str. 73-110. Warszawa 1990. [5] Kisiel A.: Hydrauliczna analiza działania grawitacyjno podciśnieniowych zbiorników kanalizacyjnych, monografia 238, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 1998. [6] Kisiel A., Mrowiec M.: acuum storage as effective way to increase capacity of detention tanks Proceedings 2nd Int. IWA Conference on Sewer Operation and Maintenance, str. 155-162. ienna 2006. [7] Licznar P., Łomotowski J., Rojek M., Pomiary i przetwarzanie danych opadowych dla potrzeb projektowania i eksploatacji systemów odwodnieniowych, Wydawnictwo Futura, Poznań 2005. [8] Mrowiec M.: Wymiarowanie rurowych zbiorników retencyjnych w systemach odprowadzania ścieków deszczowych. Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, vol. 30, Wydawnictwo Drukarnia LIBER DUO S.C., str. 431-442, Białowieża 2005, [9] Mrowiec M.: SWMM, jako efektywne narzędzie do analizy działania systemów kanalizacyjnych, Materiały konferencyjne: Nowe technologie w instalacjach i sieciach wodociągowych i kanalizacyjnych, str. 229-241, Wisła 2006. [10] Mrowiec M.: Propozycja metody wymiarowania zbiorników retencyjnych odciążających hydraulicznie sieć kanalizacyjną, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, vol. 46, str. 153-163, Łódź 2007. [11] Stahre P.: Urbonas B.: Stormwater Detention: For Drainage, Water Quality, and CSO Management, Prentice Hall, New Jersey1990. [12] Tabernacki J.: Deszczowe zbiorniki retencyjne w kanalizacji, Nowa Technika w Inżynierii Sanitarnej, seria Wodociągi i Kanalizacja, nr 11. Arkady, str. 217-271, Warszawa 1980. 28 GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA LIPIEC SIERPIEŃ 2008