Poprawa lokalnych warunków hydrologicznych miast poprzez zastosowanie dachów zielonych

42 Nauka i technika Wody opadowe Rok VIII Zeszyt 1(45) styczeń luty 2016 ISSN 2080-1467 www.technologia-wody.eu Poprawa lokalnych warunków hydrologicznych miast poprzez zastosowanie dachów zielonych Improvement of local hydrological conditions through the use of green roofs Ewa Burszta Adamiak Streszczenie Na obszarach, na których obserwuje się szybki proces urbanizacji dochodzi do zmian stanu środowiska naturalnego. W wyniku zmniejszania się w miastach terenów zielonych, czyli naturalnych miejsc infiltracji i retencji wód opadowych, nasilają się problemy związane z gospodarką wodami opadowymi. Dotychczasowe, tradycyjne odprowadzanie wód opadowych systemami kanalizacyjnymi do odbiorników staje się niewystarczające. Z tych względów coraz częściej praktykowane jest wprowadzanie zrównoważonych systemów odwadniających SUDS (ang. Sustainable Urban Drainage System), których jednym z głównych zadań jest kontrola szybkości odpływu z terenów zurbanizowanych. Do tego typu rozwiązań należą m.in. dachy zielone. W artykule przedstawiono wyniki badań przeprowadzonych we Wrocławiu w celu ustalenia retencji wodnej dachów zielonych oraz ich wpływu na opóźnienia spływów na tle charakterystyki zmienności opadów. Słowa kluczowe: dachy zielone, kontrola odpływu, miasta, retencja, wody opadowe Abstract In areas with rapid urbanization comes to changes in the natural environment. As a result of the reduction of green areas, which are natural places for infiltration and stormwater retention, increasing problems linked with stormwater management. The existing, traditional stormwater drainage becomes insufficient. For these reasons, sustainable urban drainage systems (SUDS) are being increasingly implemented. One of their main tasks is to control the rate of runoff from urbanized areas. Such practices include, among others, green roofs. The article presents research results conducted in Wroclaw in order to determine the water retention of green roofs and their impact on the delay runoff in the context of characteristics of rainfall variability. Keywords: green roofs, runoff control, urban areas, retention, stormwater 1. Wprowadzenie Dachy zielone w przestrzeniach miejskich wykonywane są ze względu na korzystny wpływ przegród budowlanych stanowiących konstrukcję dachu budynku na procesy przewodzenia ciepła, jak również z uwagi na korzystne oddziaływanie na środowisko obszaru zurbanizowanego. W wielu badaniach udowodniono, że tego typu konstrukcje akumulują ciepło zimą i ochładzają budynki latem, przedłużają trwałość pokrycia i konstrukcji dachu oraz wpływają korzystnie na mikroklimat pomieszczeń [1]. Korzyści te są doceniane w krajach o znacznie wyższych niż w Polsce średnich rocznych temperaturach powietrza, m.in. we Włoszech, Hiszpanii oraz Francji. Chęć zazieleniania dachów, tarasów, stropów garaży podziemnych w warunkach polskich wynika przede wszystkim z uregulowań prawnych wymuszających konieczność odtworzenia powierzchni biologicznie czynnej przy inwestycji zabudowującej dotychczasowe tereny zieleni oraz z potrzeby poprawy gospodarki wodami opadowymi w terenach zurbanizowanych. Rozwój miast, związany z ciągłym przyrostem powierzchni nieprzepuszczalnych dla wody, oraz praktykowanie przez lata strategii szybkiego odprowadzania (bez wcześniejszego wykorzystania) wód opadowych do odbiorników doprowadziły

Poprawa lokalnych warunków hydrologicznych miast poprzez zastosowanie dachów zielonych 43 do poważnych zmian w naturalnych warunkach hydrologicznych [2]. W kontekście przechwytywania wody opadowej, dachy zielone, jako jedno z rozwiązań zrównoważonego drenażu, doceniane są w Polsce stosunkowo od niedawna, stąd dostęp do informacji na temat ich funkcjonowania w warunkach polskich wciąż jest ograniczony. Odmienna sytuacja jest w innych krajach, gdzie dachy zielone zadomowiły się już znacznie wcześniej i gdzie doceniono ich walory nie tylko architektoniczne, ale i hydrologiczne. Najwięcej badań na temat możliwości retencjonowania wód opadowych na dachach zielonych zostało przeprowadzonych w Niemczech i Stanach Zjednoczonych. Badania Liesecke [3] wykazały, że przy grubości substratu 2-4 cm dach zielony zatrzymuje ok. 40-45% rocznej sumy opadów, a przy zwiększeniu miąższości do 10-15 cm dach zielony może przyjąć ok. 60% rocznej sumy opadów. Mentens i in. [4], dokonując przeglądu publikacji w zakresie relacji opad-odpływ dla dachów zielonych, dowiedli, że roczna retencja na dachach ekstensywnych w warunkach niemieckich kształtowała się na poziomie 45%. Badania wielkości odpływu wody opadowej z dachów zielonych przeprowadzono także m.in. we Włoszech, Francji, Chinach oraz Szwecji. Gwendolyn i in. [5] prowadzili badania na dachach zielonych w strefie klimatu zwrotnikowego monsunowego (Hong Kong, Chiny). Klimat ten charakteryzuje się dużą zmiennością oraz dużą wysokością opadów. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów stwierdzono, że średnia retencja w zależności od rozwiązania zazielenionego dachu kształtowała się w granicach 38,9-45,3%. Wyniki badań przeprowadzonych we Włoszech [6], w klimacie śródziemnomorskim, przez okres 6 miesięcy wykazywały retencję wodną na dachach zielonych rzędu 10%- 100% (średnio 85%). W literaturze można także znaleźć wyniki badań dotyczące opóźniania spływów odprowadzanych z dachów zielonych oraz redukcji szczytowej fali odpływu. Alfredo i in. [7] dowiedli, że dachy zielone mogą opóźniać i wydłużać odpływ oraz redukować szczytową falę odpływu o 30-78% w porównaniu do dachu tradycyjnego. Carpenter i Kaluvakolanu [8] wykazali redukcję szczytowej fali odpływu, w zależności od wysokości opadu na poziomie 52,7-98,6%. Pomimo przeprowadzonych wielu doświadczeń za granicą, wciąż trudno odnieść się z nimi do skuteczności zastosowania dachów zielonych w warunkach polskich, gdyż możliwości przyjmowania wody przez dachy zielone są uwarunkowane wieloma czynnikami. Do najważniejszych z nich należą: charakterystyka opadów, warunki klimatyczne, długość trwania okresu bezopadowego, uwarunkowania konstrukcyjne dachów zielonych, tj. nachylenie, grubość substratu itp. Szczegółowy opis wpływu tych czynników można znaleźć u Berndtssona [9]. Wzrost zainteresowania dachami zielonymi w Polsce, przy jednoczesnym braku danych na temat ich funkcjonowania w warunkach krajowych, był przesłanką do rozpoczęcia w 2009 r. badań na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu. 2. Charakterystyka stanowisk badawczych Stanowiska badawcze w skali półtechnicznej wykonano w listopadzie 2008 r. na dachu budynku Centrum Rys. 1. Stanowiska badawcze Dydaktyczno-Naukowego Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Od czerwca 2009 r. (po wyposażeniu stanowisk w niezbędną aparaturę badawczą) prowadzane są na nich pomiary relacji opad-odpływ. Stanowiska mają formę kuwet o wymiarach zewnętrznych 2,40 1,20 0,35 m i nachyleniu 4. W czterech kuwetach wykonano modele dachów zielonych typu ekstensywnego, a jedną kuwetę zagospodarowano jako obiekt kontrolny (referencyjny), pozbawiony roślinności oraz pozostałych warstw konstrukcyjnych, w celu odniesienia wyników do warunków jakie istnieją na dachach tradycyjnych. Przekroje dachów przedstawiono na rys. 1, a szczegółowy opis ich budowy można znaleźć w innej publikacji Burszty-Adamiak [10]. Rejestracja opadów i odpływów ze stanowisk wykonywana jest w sposób zautomatyzowany, w odstępach co 30 s. Do przechwytywania odpływów służą mierniki Naja 0404. Mierniki są podłączone do rejestratora Memory Hilogger 8430-20 firmy Hioki. Pomiary natężenia opadów są wykonywane za pomocą distrometru laserowego firmy OTT Messtechnik. W trakcie badań (w październiku 2010 r.) istniała potrzeba rekonstrukcji dwóch stanowisk badawczych. W artykule przedstawiono wyniki badań pochodzące z dwóch stano-

44 Nauka i technika Wody opadowe Tab. 1. Ogólna charakterystyka analizowanych opadów (n = 61) wisk z dachami zielonymi (o najdłuższym okresie eksploatacji, oznaczone w artykule, jako DZ-1 i DZ-2) oraz ze stanowiska referencyjnego (DR). W badaniach uwzględniono pomiary odpływów pochodzące z 61 opadów, które wystąpiły w okresie od 27 czerwca 2009 r. do 21 listopada 2013 r. Analizowane opady charakteryzowały się dużą zmiennością pod względem wysokości warstwy opadów oraz ich intensywności (tab. 1). W okresie pomiarowym wystąpiły również opady o dużej intensywności i długim czasie trwania, które w roku 2010 i 2012 spowodowały we Wrocławiu wiosenno-letnie podtopienia i powodzie. Wystąpienie tego typu zdarzeń opadowych pozwoliło na zaobserwowanie funkcjonowania dachów zielonych w ekstremalnych warunkach pogodowych. W analizie nie brano pod uwagę opadów śniegu, gdyż w okresach zimowych w czasie występowania niskich temperatur pomiary odpływu, z uwagi na demontaż urządzeń badawczych, były wykonywane ręcznie, co uniemożliwiało analizę dynamiki spływów. W całym okresie badawczym nie stosowano dodatkowego nawadniania zieleni na dachach. 3. Analiza wyników Parametr Min. Maks. Średnia Mediana Wysokość dobowa warstwy opadów [mm] 0,7 91,6 9,7 7,0 Maksymalne natężenie opadów [mm/h] 1,0 192,8 26,7 12,3 Czas trwania opadów [h] 0,3 23,8 5,8 4,1 większych, rzędu 4-5 mm, ale poprzedzonych okresem bezopadowym wynoszącym co najmniej 10 h. Brak odpływu ze stanowisk z dachami zielonymi najczęściej był obserwowany w czasie wiosenno-letnim. Było to uwarunkowane przede wszystkim warunkami meteorologicznymi. Wyższe temperatury powietrza, mniejsza, niż w okresie jesienno-zimowym wilgotność powietrza, a także intensywny okres wegetacji roślin, pozwoliły na szybką absorpcję wody zarówno w warstwach konstrukcyjnych dachów zielonych, jak i przez same rośliny, które pobierały wody opadowe dla swych funkcji życio- Tab. 2. Zestawienie parametrów hydrologicznych dla trzech stanowisk badawczych (n = 61) Oznaczany parametr Retencja [%] Opóźnienie odpływu [h] Czas odpływu [h] Stanowisko Min. Maks. Średnia Mediana DR 5,63 83,33 27,73 23,61 DZ-1 21,61 100 77,68 87,36 DZ-2 13,43 100 76,84 87,14 DR 0,01 4,14 0,48 0,23 DZ-1 0,09 10,93 2,47 1,28 DZ-2 0,08 12,68 2,87 1,75 DR 0,61 50,28 5,68 3,63 DZ-1 0,93 80,01 10,18 6,49 DZ-2 1,65 79,89 8,23 4,25 Retencja wodna na dachach, wyznaczana jako procent objętości wody zatrzymanej w stanowisku w stosunku do objętości opadu przypadającego na powierzchnię modelową dachu w badanym okresie, kształtowała się w granicach od 5,6% do 83,3% dla dachu referencyjnego oraz od 21,6% do 100% dla dachu zielonego DZ-1 i od 13,4% do 100% dla dachu zielonego DZ-2 (tab. 2). Retencję 100% określano w przypadku braku odpływów. Taka sytuacja miała miejsce podczas opadów z reguły nieprzekraczających 1 mm lub w przypadku opadów Rys. 2. Hydrogramy odpływów z dachów podczas opadu, który wystąpił w dniu 9 września 2013 r. o wysokości warstwy opadów wynoszącej 4,69 mm

Poprawa lokalnych warunków hydrologicznych miast poprzez zastosowanie dachów zielonych 45 wych. Nie bez znaczenia była większa w tym okresie ewapotranspiracja, pozwalająca na oddanie części wód do środowiska i tym samym na szybszą regenerację i gotowość dachów zielonych na przyjęcie dodatkowej ilości wody. Zdolności retencyjne dachów zielonych malały w przypadku występowania opadów z dużą intensywnością, długotrwałych (2-3 dni lub dłuższych) lub poprzedzonych krótkim okresem bezopadowym. Taka sytuacja miała miejsce m.in. w lipcu 2013 roku, kiedy to w dniach 11 i 12 lipca spadło łącznie 16,1 mm opadu z maksymalną intensywnością 66,9 mm/h w ciągu niecałych 4 h. Wysokość warstwy opadu, poprzedzającego wspomniany deszcz, wynosiła 5 mm, a okres bezopadowy trwał 10 h. W tym przypadku retencja na dachu tradycyjnym wyniosła 12%, a na dachach zielonych około 30%. Innym przykładem, w którym z kolei wysokość opadu i czas jego trwania były czynnikami ograniczającymi możliwości przyjęcia większej ilości wód opadowych na dachach, był deszcz, który wystąpił w dniach 2-4 maja 2013 r. Łączna wysokość warstwy opadu wynosiła 87 mm. Opad trwał ponad 18 h. W tym przypadku przy stosunkowo niskiej intensywności opadu (14,7 mm/h) i długim okresie bezopadowym (21,1 h) dach tradycyjny przyjął tylko 8% opadu, a na dachach zielonych zostało zatrzymanych odpowiednio ok. 29% opadu na dachu zielonym DZ-1 i 32% na DZ-2. Dzięki przetrzymaniu części opadu w konstrukcji dachów zielonych, możliwe było opóźnienie odpływu oraz zmniejszenie wysokości szczytowej fali odpływu, w porównaniu z maksymalną intensywnością zarejestrowaną w opadach. Wyniki przeprowadzonych badań dowodzą, że odpływ z dachów zielonych może być opóźniony kilka godzin w stosunku do momentu rozpoczęcia opadu. Na dachu tradycyjnym, przy większości opadów, odpływ następował kilka minut po rozpoczęciu deszczu (rys. 2). Największe opóźnienie, jakie wystąpiło podczas analizowanego okresu zaobserwowano w dniu 1 października 2009 r. na dachu zielonym DZ-2 i wynosiło ono prawie 11 h przy opadzie 3,1 mm. Dla drugiego analizowanego dachu zielonego (DZ-1) opóźnienie odpływu dla tego samego opadu wynosiło 6,5 h, a dla dachu referencyjnego 38 min. W tym przypadku wpływ na zarejestrowane początki spływu niewątpliwie miały dwa czynniki, tj. stosunkowo mała wysokość opadu oraz niska intensywność opadu (średnia 0,72 mm/h w pierwszych 20 min deszczu). Przy opadach o dużej intensywności lub dużej wysokości warstwy opadu różnica w czasach opóźnienia odpływu oraz redukcji szczytowej fali odpływu pomiędzy dachami zielonymi a dachem kontrolnym była znacznie mniejsza, szczególnie w kolejnych fazach opadu, kiedy profile dachów zielonych były już w pełni nasycone wodą (rys. 3). Po zakończeniu opadów, dynamika odpływu wody z układów zazielenionych dachów ulegała wyraźnemu zmniejszeniu. W przypadku pełnego nasycenia substratów, woda wolno przesączała się z konstrukcji wielowarstwowej dachu. Okres oddawania wody wolnej z układu trwał zazwyczaj jeszcze kilka godzin po opadzie (rys. 2 i 3). 4. Podsumowanie Rys. 3. Hydrogramy odpływów z dachów podczas opadu, który wystąpił w dniu 27 maja 2011 r. o wysokości warstwy opadów wynoszącej 26,2 mm Odpływ wody z warstw dachu zielonego do odbiornika następował po ich maksymalnym nasyceniu i był znacznie zmniejszony w porównaniu z występującym opadem oraz spowolniony w czasie ze względu na hamowanie przepływu przez układ warstw. Badania wykazały, że opady, z których nie odnotowano odpływu z dachów zielonych (opady < 1 mm) oraz takie, w czasie których odpływ był w dużej mierze zatrzymany w układzie warstw konstrukcyjnych (opady < 5 mm) są zdarzeniami opadowymi, które w analizowanym okresie występowały najczęściej. Dla tej grupy opadów rejestrowane opóźnienia odpływu z dachów zielonych

46 Nauka i technika Wody opadowe oraz redukcje szczytowej fali odpływu były także największe. Warto jednak pamiętać, że pojedynczy dach zielony w przestrzeni miejskiej nie pozwoli na poprawę funkcjonowania sieci kanalizacyjnej w skali całej zlewni (na dużą skalę), ani też nie zapewni redukcji odpływu w takich stopniu, aby mogło to mieć znaczenie w przeciwdziałaniu zagrożeniom powodziowym w miastach, tym bardziej, że w czasie ekstremalnych zdarzeń opadowych możliwości przyjmowania wody przez dachy zielone są ograniczone. Z tych względów wykonywanie dachów zielonych powinno być planowane przy współudziale innych systemów zrównoważonego drenażu na terenie miast, do których należą m.in. ogrody deszczowe, zbiorniki retencyjno-infiltracyjne oraz inne budowle piętrzące wodę i ograniczające szybki odpływ wód opadowych i roztopowych. Dopiero połączenie wielu różnych rozwiązań małej retencji może poprawić, w zauważalny sposób, pracę systemów odwodnieniowych w terenach zurbanizowanych. 5. Literatura [1] Refahi A. H., Talkhabi H.: Investigating the effective factors on the reduction of energy consumption in residential buildings with green roofs. Renewable Energy no. 80, 2015, s. 595-603. [2] Zawilski M., Brzezińska A., Bandzierz D., Badowska E.: Dynamika zmian ilości i składu ścieków w kanalizacji. Gaz, Woda i Technika Sanitarna nr 11, 2011. [3] Liesecke H. J.: Das Retentionsvermögen von Dachbegrünungen. Stadt und Grün 1/1998, s. 46-53. [4] Mentens J., Raes D., Hermy, M.: Green roofs as a tool for solving the rainwater runoff problem in the urbanized 21st century?, Landscape and Urban Planning, 77(3), 2006, s. 217-226. [5] Wong G. K. L., Jim C. Y.: Quantitative hydrologic performance of extensive green roof under humid-tropical rainfall regime. Ecological Engineering no. 70, 2014 s. 366 378. [6] Palla A., Sansalon J. J., Gnecco I., Lanza L. G.: Storm water infiltration in a monitored green roof for hydrologic restoration. Water Sci. Technol. 64(3), 2011, s. 766 773. [7] Alfredo K., Montalto F., Goldstein A.: Observed and Modeled Performances of Prototype Green Roof Test Plots Subjected to Simulated Low- and High-Intensity Precipitations in a Laboratory Experiment, J. Hydrol. Eng. 15, 2010, s. 444 457. [8] Carpenter D. D., Kaluvakolanu P.: Effect of roof surface type on storm-water runoff from full-scale roofs in a temperate climate. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 137(3), 2011, s. 161-169. [9] Berndtsson J. C.: Green roof performance towards management of runoff water quantity and quality: A review. Ecological Engineering 36(4), 2010, s. 351-360. [10] Burszta-Adamiak E.: Zielone dachy jako element zrównoważonych systemów odwadniających na terenach zurbanizowanych. Monografie CLXXV, Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Wrocław 2014. dr inż. Ewa Burszta-Adamiak Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Instytut Inżynierii Środowiska dokończenie ze strony 41 ildings, Urban Climate, Vol. 3, s. 76-93, 2013. DOI: 10.1016/j. uclim.2013.04.002. [19] Odefey J. i in.: Banking on Green: A Look at How Green Infrastructure Can Save Municipalities Money and Provide Economic Benefits Community-wide, A Joint Report by American Rivers, the Water Environment Federation, the American Society of Landscape Architects and ECONorthwest, 2012. [20] Qin H., Li Z., Fu G.: The effects of low impact development on urban flooding under different rainfall characteristics, Journal of Environmental Management, Vol. 129, s. 577-585, 2011. DOI: 10.1016/j.jenvman.2013.08.026. [21] Raport Kształtowanie krajobrazu dla przyrody i rozwoju regionalnego: Możliwości zielonej infrastruktury, http://www. biebrza.org.pl/plik,2414,raport-z-warsztatow-zielona-infrastruktura.pdf, 2014. [22] Renterghem T., Botteldooren D.: In-situ measurements of sound propagating over extensive green roofs, Building and Environment, Vol. 469, s. 729-738, 2011. DOI: 10.1016/j. buildenv.2010.10.006. [23] Sonne B.: Managing Stormwater by Sustainable Measures: Preventing Neighborhood Flooding and Green Infrastructures Implementation in New Orleans, Tulane Environmental Law Journal, Vol. 27, s. 323-350, 2014. [24] Ustawa z 27 marca 2003 r. o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym, Dz. U. z 2015 r. nr 0 poz. 199 tekst jednolity. [25] Wang Y., Bakker F., Groot R., Wörtche H.: Effect of ecosystem services provided by urban green infrastructure on indoor environment: A literature review, Building and Environment, Vol. 77, s. 88-100, 2014. DOI: 10.1016/j.buildenv.2014.03.021. [26] http://stormwater.wef.org/2014/04/water-wellness/. [27] http://water.epa.gov/infrastructure/greeninfrastructure/gi_ what.cfm. mgr inż. Ewa Badowska dr inż. Dawid Bandzierz Politechnika Łódzka Instytut Inżynierii Środowiska i Instalacji Budowlanych ZIELONE TECHNOLOGIE Poznaj zalety proekologicznych rozwiązań dla Twojego domu. Zasięgnij opinii niezależnych ekspertów i faktycznych użytkowników. Znajdź producenta, dowiedz się o możliwościach dofinansowania. Wybierz najlepsze rozwiązanie. Technologie, trendy, ciekawostki. www.polskaekologia24.pl