modelowanie odpływu wód deszczowych z dachów zielonych

modelowanie odpływu wód deszczowych z dachów zielonych

Rzeszów University of Technology
Department of Infrastructure and
Sustainable Development
No. 12203-0904/KOSICE03
Zielone dachy jako element
zrównoważonego gospodarowania
wodami opadowymi
Green roofs as a part of sustainable
rainwater management
Agnieszka Stec, MSc, Eng.
This project has been funded with support from the European Commission.
This presentation/publication reflects the views only of the authors, and the Commission cannot
be held responsible for any use which may be made of the information contained therein.
•
Tradycyjne metody zagospodarowania wód deszczowych
powodują m.in. obniżenie poziomu wód gruntowych
i nadmierne osuszenie terenu oraz wpływają niekorzystnie
na odbiornik wskutek dopływu do niego wraz z wodami
opadowymi dużego ładunku zanieczyszczeń.
Traditional methods of rainwater management causes, inter
alia, drawdown of groundwater and excessive drying of the
area and might have adversely influence to the receiver
due to the inflow of rain water with the heavy load of
pollutants.
•
Ponadto wzrost stopnia uszczelnienia zlewni i związana
z tym zmiana dynamiki spływu wód może powodować
przeciążenie sieci kanalizacyjnych, które często nie są
w stanie przejąć i odprowadzić nadmiernych ilości wód
deszczowych. W wyniku tego mogą występować
podtopienia terenów i budynków oraz utrudnienia
w komunikacji miejskiej.
Furthermore, the increase of degree of catchment sealing
and change in the dynamics of water flow can cause
overloading of sewerage systems, which are often not able
to take over and dispose of excessive amounts of rainwater.
As a result, there may be land and buildings flooding and
difficulties in municipal transport.
Alternatywne metody stosowane
w gospodarowaniu wodami
opadowymi
Alternative methods used in the
management of rainwater
• Jednak w ostatnich latach coraz częściej podejmowane są
działania na rzecz zrównoważonego gospodarowania
wodami opadowymi na terenach zurbanizowanych.
However, in recent years, actions directed into sustainable
management of rain water in urban are taken much more
often.
• Wynika
to głównie z przepisów dostosowanych do prawa
Unii
Europejskiej
w
zakresie
gospodarki
wodnej
i ochrony środowiska. Zgodnie z nimi gospodarowanie
wodami opadowymi z terenów zurbanizowanych powinno
być realizowane według filozofii zrównoważonego rozwoju.
This results mainly from the rules, which are adapted to the
law of EU on water management and environmental
protection. According to them, the management of rain
water from urbanized areas should be implemented
according to philosophy of sustainable development.
• Metody
tradycyjne odprowadzania ścieków opadowych do kanalizacji
deszczowej lub ogólnospławnej nie zapewniają powyższego, dlatego też coraz
częściej odchodzi się od tej tendencji projektując nowoczesne
i przyjazne ekologicznie systemy odwadniające, których zadaniem jest
zatrzymanie jak największej części wód deszczowych w miejscu gdzie opad
wystąpił.
Traditional methods of draining rainwater to sewer system do not guarantee
this, therefore this traditional trend is not taken into account and more
frequently modern and environmentally friendly drainage systems are
designed, whose task is to stop the largest part of the of rainwater at the place
where the rainfall occurred.
• Realizowane jest to poprzez obiekty i urządzenia, których działanie oparte jest
głównie na naturalnych procesach retencji powierzchniowej i podziemnej oraz
infiltracji wód do gruntu.
This is realized by usage the facilities and equipment, whose functioning is
based mainly on natural processes of surface and underground retention and
water infiltration into the soil.
Typy dachów zielonych
The types of green roofs
• Ze względu na gatunki roślin można wyróżnić trzy podstawowe rodzaje dachów zielonych:
 dachy z roślinnością ekstensywną,
 dachy z roślinnością intensywną niską,
 dachy z roślinnością intensywną wysoką.
Based on species of plants green roofs can be divided into three types:
 Extensive green roofs,
 Intensive green roofs with low vegetation,
 Intensive green roofs with high vegetation.
• Na
dachu ekstensywnym sadzi się rośliny sucholubne – rozchodniki, zioła, mchy i niektóre trawy.
Rozwiązanie to nie wymaga pielęgnacji i stałej obsługi – wystarczy, że raz czy dwa razy do roku
sprawdzimy, jak się sprawuje. Tego rodzaju nasadzenia można wykonywać na konstrukcjach, które
pozwalają jedynie na niewielkie obciążenia, jak np. więźby drewniane bądź hale stalowe.
Extensive green roofs require only a minimum of maintenance – once, maybe twice a year it is
recommended to check on such roofs. They are planted with vegetation that do not require a lot of
watering – mosses, sedums, succulents, herbs and few grasses. This kind of vegetation can be supported by
constructions that bear only minimal weight, e.g. rafter framings or steel halls.
Rys. Przykład roślinności ekstensywnej
•
Rośliny porastające dachy intensywne niskie to: trawy, byliny i niewielkie krzewy. Wymagają
one zabiegów pielęgnacyjnych podobnych do tych jakie stosuje się w ogrodach oraz
dawkowania nawozów mineralnych.
Intensive green roofs with low vegetation include: grasses, perennials and low bushes. They
require maintenance similar to traditional gardens and fertilization with mineral fertilizers.
•
Natomiast roślinność intensywna wysoka obejmuje wszystkich rodzaje roślin: byliny, krzewy,
trawy i niewielkich rozmiarów drzewa, które mają znaczne wymagania pielęgnacyjne oraz
wymagają regularnego dostarczania wody i substancji odżywczych.
Intensive green roofs with high vegetation include all kinds of plants: perennials, bushes,
grasses and small trees, which require substantial care as well as regular irrigation and
feeding.
Dżungla w centrum Singapuru
Jungle in the heart of Singapore
Zielone dachy w Norwegii
Green roofs in Norway
Podział dachów zielonych w zależności od
rozwiązań konstrukcyjnych
Green roofs divided by construction method
•









W zależności od rozwiązań konstrukcyjnych i materiałowych, a przede wszystkim funkcji
pełnionych przez dachy zielone można rozróżnić następujące ich rodzaje:
dachy ekonomiczne,
dachy lekkie,
dachy naturalne,
dachy retencyjne,
dachy skośne,
dachy ogrodowe,
dachy krajobrazowe,
dachy komunikacyjne,
dachy termiczne.
Due to construction method and materials used, and above all performed functions, green
roofs can be divided into:








economical roofs,
light-weight roofs,
natural roofs,
retention roofs,
sloped roofs,
garden roofs,
landscaped roofs,
thermal roofs.
Dach ekonomiczny
Economical roof
Dach ekonomiczny należy do najmniej złożonych systemów dachów zielonych. Ze względu
na charakter użytej roślinności ekstensywnej jest łatwy w budowie i eksploatacji. Ciężar
dachu w zależności od przyjętej konstrukcji wacha się w granicach od 90 do 140 kg/m2.
Grubość warstwy roślinnej do 0,1 m. Spadek połaci dachowej niewielki wynoszący do 9%, co
pozwala na uzyskiwanie współczynnika spływu powierzchniowego Ψ wynoszącego od 0,4 do
0,5 oraz retencję około 25 dm3/m2.
Economical roof is one of the least complex systems of green roofs. Due to the character of
extensive vegetation, which it is planted with, it is easy to build and maintain. The weight of
the roof varies in the range from 90 to 140 kg/m2. Thickness of vegetation layer equals up to
0,1 m. Roof slope is minimal, up to 9%, what results in runoff coefficient Ψ equal from 0,4 to 0,5
and retention about 25 dm3/m2.
Rys. 1. Przekroje poprzeczne dachów ekonomicznych
1 – roślinność ekstensywna, 2 –substrat ekstensywny,
3 – mata drenażowa, 4 – geowłóknina chłonnoochronna, 5 – membrana hydroizolacyjna,
6 – przegroda konstrukcyjna, 7 – termoizolacja
Fig. 1. Cross sections of economical roofs
1 – extensive vegetation, 2 – extensive substrate,
3 – drainage mat, 4 – protective and absorptive
geononwovens, 5 – hydro-insulation membrane,
6 - construction partition, 7 – thermal insulation
Dach lekki
Light-weight roof
Dach lekki charakteryzuje się najmniejszym ciężarem, który wynosi około 50 kg/m2. Pomimo
tego, głównie ze względu na niewielką grubość warstwy gruntowej (około 0,05 m) wymaga
jednak większych nakładów konserwacyjnych m.in. nawadniania i nawożenia, niż dachy
ekonomiczne. Jako roślinność stosowane są tutaj mchy i rozchodniki. Współczynnik spływu
powierzchniowego Ψ dla tego typu dachów kształtuje się na poziomie od 0,5 do 0,6,
a pojemność wodna wynosi około 18 dm3/m2.
Light-weight roof is characterized by the lowest weight, which averages 50 kg/m2. However, in
comparison to economical roofs, it requires more maintenance such as irrigation and feeding.
It is due to low thickness of soil layer (about 0,05 m) in case of light-weight roofs. Vegetation of
such roofs includes mosses and sedums. Runoff coefficient Ψ for these roofs equals from 0,5 to
0,6 and their water-holding capacity is about 18 dm3/m2.
Rys. 2. Przekrój poprzeczny dachu lekkiego
8 – mata wegetacyjna, 9 – substrat lekki
Fig. 2. Cross section of light-weight roof
8 – vegetation mat, 9 – light substrate
Dach naturalny
Natural roof
Dach naturalny to dach o dużych możliwościach kompozycyjnych, uzyskiwanych w wyniku stosowania zmiennej
grubości warstwy gruntowej. Pozwala to na wysoką bioróżnorodność gatunków flory i fauny. Stosuje się głównie
rośliny długokwitnące, stanowiące korzystane środowisko dla bytowania pszczół i motyli o wysokich walorach
ekologicznych i krajobrazowych. Ciężar jednostkowy dachu naturalnego zawiera się w granicach od około 100 do
300 kg/m2. Współczynnik spływu powierzchniowego Ψ w zależności od nachylenia połaci dachowej, grubości
warstwy gruntowej i roślinności wynosi od 0,1 do 0,4, a pojemność wodna od 30 do 80 dm3/m2
Natural roof presents wide composition possibilities obtained due to variable thickness of soil layer. It results in
diversity of flora and fauna species. There are usually long-blooming plants used, which create perfect environment
for bees and butterflies, what is valuable from ecological point of view. Unitary weight of natural roof averages in
the range from 100 to 300 kg/m2. Depending on roof slope, thickness of soil and vegetation layer runoff coefficient
Ψ of natural roof varies from 0,1 to 0,4 and its water-holding capacity equals from 30 to 80 dm3/m2.
Rys. 3. Przekrój poprzeczny dachu naturalnego
10 – byliny, rozchodniki, 11 – substrat do dachów
ekstensywnych o grubości od 0,05 do 0,20 m,
12 – geowłóknina filracyjna, 13 – mata drenażowa,
14 - geowłoknina ochronno-dyfuzyjna
Fig. 3. Cross sections of natural roof
10 – sedums, perennials, 11 – substrate for extensive
roofs of thickness equal from 0,05 to 0,20 m,
12 – filtration geononwovens, 13 – drainage mat,
14 – protection and diffusion geononwovens
Dach skośny
Sloped roof
Dachy skośne mogą być realizowane jako dachy z niską roślinnością ekstensywną (mchy,
rozchodniki) lub z roślinnością o wyższych wymaganiach życiowych (mchy, trawy, zioła).
Zasadniczym problemem w realizacji takich dachów, których nachylenia połacie
dachowych mogą wynosić od 9 do 84% jest przeciwdziałanie możliwości obsuwania się
podłoża. W zależności od typu roślinności i przyjętego rozwiązania konstrukcyjnego ciężar
dachu skośnego wacha się w zakresie do od 100 do blisko 200 kg/m2, a współczynnik od 0,3
do 0,6, co pozwala na retencjonowanie od 35 do 50 dm3/m2 dachu.
Sloped roofs may be applied as extensive roofs (planted with mosses, sedums) or intensive
roofs (planted with more demanding vegetation such as mosses, grasses, herbs). Essential
problem when it comes to construction of such roofs, which slope may vary in the range from
9 to 84 %, is preventing soil from sliding down. Depending on vegetation type and the roof
design the weight of the sloped roof averages in the range from 100 to even 200 kg/m2 and
runoff coefficient equals 0,3 -0,6 what allows to retain from 35 to 50 dm3/m2 of roof.
Rys. 4. Przekrój poprzeczny dachu skośnego
15 – obróbka blacharska, 16 – belka oporowa,
17 – żwir, 18 – geowłóknina filtracyjna, 19 – kanał
drenażowy, 20 – urządzenie przeciwześlizgowe,
21 – system przeciwześlizgowe, 22 – element
dylatacyjny
Fig. 4. Cross section of sloped roof
15 – roof work, 16 – retaining beam, 17 – gravel, 18 –
filtration geononwovens, 19 – drainage channel, 20 –
anti-sliding device, 21 – anti-sliding system, 22 –
dilatation element
Dach ogrodowy
Garden roof
Dach ogrodowy o wadze od 300 do 600 kg/m2 to jeden z cięższych typów dachów zielonych. Jego funkcją jest
wytworzenie ekologicznej przestrzeni dachowej o oryginalnym zagospodarowaniu, która może być wykorzystywana
jako obiekt rekreacyjny i użytkowy. Na powierzchni takiego dachu możliwe jest stosowania różnego rodzaju
roślinności, w tym również krzewów i niewielkich drzew oraz wykonywanie oczek wodnych. Warstwa urodzajna ma
grubość od 0,25 do 0,45 m co pozwala redukować odpływ z dachu od 70 do 95 %, z równoczesną pojemnością
wodną od 110 do 160 dm3/m2.
Garden roof, which weight averages from 300 to 600 kg/m2, is one of the heaviest types of green roofs. Its purpose is
to create ecological roof space with interesting development, which may be used as functional or recreational
area. It is possible to grow on such a roof different types of vegetation, even bushes and small trees as well as apply
miniponds. Soil layer thickness equals from 0,25 to 0,45 m what allows to reduce runoff from the roof in 70% to event
95%. The water-holding capacity of such a roof varies in the range from 110 to 160 dm3/m2.
Rys. 5. Przekrój poprzeczny dachu
ogrodowego
23 – substrat dla roślinności intensywnej,
24 – mata drenażowa
Fig. 5. Cross sections of garden roofs
23 – substrate for intensive vegetation,
24 – drainage mat
Dach zielony – dach retencyjny
Green roof – retention roof
Cechy szczególne:
rozwiązanie systemowe o zdefiniowanym współczynniki retencji;
maksymalny współczynnik spływu: przy nachyleniu dachu 0˚ równy 0,08; przy nachyleniu 1˚ równy 0,17;
drenaż i opóźnienie spływu wody;
wysokość warstwy do 12 cm;
retencjonowanie ≥ 80%;
 magazynowanie wody 32dm3/m2;
roślinność: zioła, trawy, rozchodniki.
Particular features:
•
system solution with defined retention coefficient;
•
maximum runoff coefficient: 0,08 when roof slope equals 0˚, 0,17 when roof
slope equals 1˚;
•
rainwater runoff delay and drainage;
•
layer thickness up to 12 cm;
•
retention ≥ 80%;
•
water-holding capacity 32dm3/m2;
•
vegetation: herbs, grasses, sedums.
Rys. 6. Przekrój poprzeczny dachu
retencyjnego
1 – mieszanka siewna, 2 – substrat
ekstensywny, 3 – geowłóknina filtracyjna, 4 –
mata drenażowa, 5 – geowłóknina chłonnoochronna
Fig. 6. Cross section of retention roof 1 – seed
mix, 2 – extensive substrate, 3 – filtration
geononwovens, 4 – drainage mat,
5 – protective and absorptive geononwovens
Rys. 7. Model rocznego bilansu wód
opadowych
w
przykładowym
osiedlu
mieszkaniowym położonym w centralnej
Polsce, gdzie opad w roku średnim wynosi
około 546 mm (100%). Model prezentuje
stopniową
modyfikację
bilansu
wód
opadowych (wariant A, B, C i D) wraz ze
wzrostem
udziału
ekstensywnej
zieleni
dachowej w powierzchni dachów wszystkich
budynków wielorodzinnych przy założeniu, że
są to dachy płaskie do ok. 9% spadku.
Ekstensywne zielone dachy (wariant B = 20%
udziału dachów zielonych, C = 50% udziału
dachów zielonych i D = 100% udziału dachów
zielonych) pomagają wyraźnie zredukować
straty
wody
opadowej
zwiększając
ewapotranspirację i retencję przy założeniu, że
procentowy udział powierzchni zabudowy,
nawierzchni i zieleni osiedlowej pozostaje
każdorazowo taki sam.
Fig. 7. Model of annual rainwater balance on
the example of residential area in central
Poland, where precipitation in average year
equals about 546 mm (100%). The model
presents gradual modification of rainwater
balance (variant A, B, C and D) along with the
increase
of
extensive
roof
vegetation
application on the roofs of all multi-family
buildings on the assumption that these roofs are
flat or sloped up to 9%. Extensive roofs (variant B
= 20% share of green roofs in total roof surface,
C = 50% share of green roofs and D = 100%
share of green roofs) help to reduce rainwater
losses by increasing evapotranspiration and
retention providing that percentage share of
total footprint, pavements and green areas
within the housing estate stay always the same.
Przegląd badań dotyczących retencyjności dachów zielonych
•
Liczne badania udowadniają, że dachy zielone mogą opóźniać spływ oraz redukować całkowity odpływ wód z
powierzchni dachowych. Ze względu na to, że na wielkość odpływu ma wpływ wiele czynników związanych z
lokalnym klimatem, opadami i samą konstrukcją dachu, to wyniki badań często bardzo różnią się między sobą.
Widoczne to jest głównie przy określaniu retencyjności dachu, która może wynosić, według badań Gettera,
nawet 80,8% , a według DeNardo, dla tego samego dachu 45%.
Numerous research projects prove that green roofs can delay the runoff from roof surfaces and reduce its total
volume. In view of the fact that the rainwater outflow rate is affected by many factors related to local climate,
precipitation profile, and the structure of the roof itself, results of various studies differ from each other in many
cases. This is the case especially when the roof retentiveness is determined; its value, according to Getter, can
be as high as 80.8% [20], compared with 45% obtained by DeNardo for the same roof.
•
Istotne jest w tych badaniach uwzględnienie lokalizacji obiektu i wynikającej z tego charakterystyki opadu dla
danego regionu, zwłaszcza wielkości opadu, jego rozkładu w czasie, częstości występowania oraz
intensywności. Przykładem może być dach zlokalizowany na terenie Hamburga, który (odnosząc się do rocznej
sumy opadów wynoszącej 820 mm) może zretencjonować około 60% wód deszczowych, podczas gdy ten sam
typ dachu zielonego w Berlinie (opad 500 mm w ciągu roku) posiada retencyjność wynoszącą 75%.
In research work on this subject it is essential that such circumstances will be taken into account as facility
location and the related precipitation profile typical for the area, especially precipitation total distribution in
time, frequency of occurrence, and intensity. For example, a roof located in Hamburg area (with annual
precipitation total amounting to 820 mm) can retain about 60% rainwater, while a green roof of the same type
in Berlin (with annual rainfall total of 500 mm) will show retentiveness amounting to 75%.
•
W związku z tym, przy określaniu możliwości retencyjnych dachów, nie należy bazować na wynikach badań
uzyskanych w innych krajach, w których panują odmienne warunki klimatyczne, a jedynie mogą one służyć
jako wyniki porównawcze.
For that reason, when the roof retention capacity is being determined, it is inadvisable to base on results
obtained in other countries where different climatic conditions prevail; such data may be used only for
comparative purposes.
•
W przywołanych badaniach brane są pod uwagę nie tylko grubość oraz układ warstw dachu i ich wpływ
na retencjonowanie wody, ale również nachylenie dachu. Niemieccy badacze [22, 24] doszli do wniosku,
że spadek nie ma wpływu na ilość zmagazynowanej wody. Jednak zaprzeczają temu wyniki badań
uzyskane przez innych naukowców, którzy poddali analizie dachy o różnym nachyleniu.
The studies referred to herein take into account not only the green roof thickness and layered structure
and their effect on water retention, but also inclination of the roof slope. German researchers arrived at
the conclusion that inclination has no effect on the amount of rainwater retained. This is however contrary
to results obtained by other scientist who analyzed roofs with different slope gradients.
•
VanWoert przeanalizował wpływ nachylenia dachu w funkcji natężenia deszczu. Dla deszczy o małym
natężeniu badane zielone dachy o spadku 2 % i 6,5 % retencjonowały odpowiednio 98 % i 90 % opadu.
Natomiast w przypadku deszczy o dużej intensywności nie zauważył różnicy pomiędzy wynikami
retencyjności analizowanych dachów [25]. Getter i inni przebadali na stanowisku badawczym 12 dachów
zielonych ekstensywnych o nachyleniu 2%, 7%, 15% i 25%. Na podstawie dwuletnich obserwacji doszli do
wniosku, że wartość retencji maleje wraz ze wzrostem nachylenia dachu.
VanWoert analyzed the effect of roof slope inclination versus the rainfall intensity. For not very intensive
rains, the examined green roofs with inclination of 2 and 6.5%, retained 98 and 90% rainwater,
respectively. In the case of very intense rains, however, the author did not observe any difference
between retentiveness measurement results taken for the two analyzed roofs [25]. Getter et al examined
12 extensive green roofs with slopes of 2, 7, 15 and 25% in their experimental station. On the grounds of
two-year observations they have arrived at the conclusion that the retention value decreases with
increasing roof slope inclination.
•
Znaczna część wody, która spadnie na powierzchnię zielonego dachu ulega wchłonięciu przez substrat
dachowy i rośliny, a następnie poprzez parowanie i transpirację może być oddana z powrotem do
atmosfery. Kolb opublikował wyniki badań, w których stwierdza, że 45 % wszystkich opadów może być
recyklowane w ten sposób.
A significant portion of water falling onto a green roof surface is subject to absorption by the roof substrate
and vegetation, and then by means of evaporation and transpiration it can be returned back to the
atmosphere. Kolb has published results of his research work showing that 45% of total precipitation can be
recycled this way.
•
Natomiast Bengtsson przeprowadził badania na dachu zielonym ekstensywnym zlokalizowanym w Malmö
w południowej Szwecji. Na podstawie wykonanego bilansu wodnego stwierdził, że roczny odpływ wód
opadowych z przedmiotowego dachu może być w wyniku parowania zredukowany nawet do 64 %.
Köhler również w swoich badaniach uzyskał podobne wyniki. Zielone dachy o grubości warstwy
wegetacyjnej od 5 do 10 cm są w stanie poprzez parowanie zmniejszyć całkowity opad roczny
w granicach od 60 do 79 %.
Bengtsson has carried out studies on an extensive green roof established in Malmo in southern Sweden.
On the grounds of the performed water balance the author concluded that the annual runoff of
precipitation water from the roof in question could be reduced as a result of evaporation by as much as
up to 64%. Kohler obtained similar results in his own studies. Green roofs with vegetation layer 5 to 10 cm
thick are capable to reduce, by means of evaporation, the total annual runoff by as much as 60÷79%.
•
W Polsce tematyka dotycząca oceny retencyjności dachów zielonych była stosunkowo rzadko
w
zainteresowaniach
badawczych
ośrodków
naukowych.
Opublikowane
wyniki
badań
przeprowadzonych na stanowiskach badawczych na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu dla
dwóch typów dachów wykazały, że średnia retencyjność badanych rozwiązań dachów wynosi około
89%.
In Poland’s scientific centers, issues concerning green roof retentiveness evaluation remained outside the
mainstream of interest. Results of studies carried out on experimental setups at the Natural University of
Wroclaw for two types of roofs proved that the average retaining capacity of the tested roof solutions
amounted to about 89%.
MODELOWANIE ODPŁYWU WÓD
DESZCZOWYCH ZE ZLEWNI MIEJSKIEJ
UWZGLĘDNIAJĄCE ZASTOSOWANIE
W NIEJ ZIELONYCH DACHÓW
Modeling of storm water runoff from
urban areas involving the use of green
roofs
•
W celu analizy możliwości ograniczenia wielkości odpływu
wód opadowych z terenów miejskich przeprowadzono
badania symulacyjne na modelu zlewni zlokalizowanej w
Przemyślu. Wykonano go w celu określenia wpływu sposobu
zagospodarowania terenów miejskich na kształtowanie się
przepływów w sieci kanalizacyjnej.
To analyze the possibility of reducing rainwater runoff from
urban areas some simulation studies was carried out on the
model catchment, located in Przemyśl. It was performed to
determine the influence of the land development in urban
areas on the flows formation in the sewerage system.
•
Model symulacyjny fragmentu zlewni dzielnicy Zasanie
wykonano na podstawie istniejącego projektu kanalizacji tej
dzielnicy, planów zagospodarowania przestrzennego oraz
satelitarnej ortofotomapy.
Simulation model of the Zasanie catchment area was based
on an the real sewer system project, development plans and
orthophotomaps.
•
Ponadto stworzono hipotetyczny model tej samej zlewni, który
uwzględnia rozwiązania stosowane w zrównoważonym
gospodarowaniu wodami opadowymi - zielone dachy,
nawierzchnie nieumocnione i perforowane.
In addition, a hypothetical model of the same catchment
area was made. This model takes into account devices,
which are used in the sustainable management of rainwater green roofs, perforated and pervious surface.
Narzędzie symulacyjne
Simulation Tool
•
Do symulacji wykorzystano program komputerowy Storm Water Management Model Model Zarządzania Wodami Deszczowymi, który został stworzony przez amerykańską
Agencję Ochrony Środowiska – USEPA . Jest to uproszczony model deterministyczny
pozwalający na obliczanie objętości spływu oraz na modelowanie nieustalonego
przepływu ścieków kanałami z wykorzystaniem równań de Saint-Venanta.
For the simulation a computer program Storm Water Management Model was used,
which was created by the U.S. Environmental Protection Agency – USEPA. SWMM is a
comprehensive mathematical model for simulation of urban runoff quantity and quality
in storm and combined sewer systems.
•
W programie SWMM opad przekształcany jest w odpływ efektywny wyznaczany jako
odpływ z nieliniowego zbiornika, którego napełnienie równe jest ilości wody jaka spadła
na daną powierzchnię po uwzględnieniu strat powstałych w wyniku parowania,
wsiąkania i retencjonowania wody w zagłębieniach terenu.
In SWMM rainfall is converted into an effective runoff, which is designated as a outflow
from the non-linear reservoir. The tank filling is equal to the amount of water which fell on
a surface area, after taking into account losses caused by evaporation, infiltration and
water retention in unevenness land.
Q = W/n (d – dp)5/3s1/2
gdzie:
Q – odpływ ze zlewni, dm3/s; (subcatchment outflow),
W – szerokość pasa spływu, m; (subcatchment width),
n – współczynnik szorstkości Manninga, (Manning’s roughness coefficient),
d – wysokość warstwy wody, m; (water depth),
dp – wysokość warstwy wody zretencjonowanej w zagłębieniach terenu, m; (depth of depression
(retention) storage),
s – spadek terenu, % (slope).
Model infiltracji
Infiltration model
•
W obliczeniach wielkości odpływu wód deszczowych z powierzchni przepuszczalnych
istotna jest zmienność natężenia infiltracji w czasie, która uwzględniana jest w modelu
hydrodynamicznym zlewni. Dla tych powierzchni spływ obliczany jest jako różnica
między natężeniem opadu efektywnego i zdolnością infiltracyjną danego gruntu. Do
opisu tego zjawiska stosowany jest najczęściej model infiltracji Hortona, opisany wzorem:
•
In calculation of quantity of storm water runoff from pervious surfaces, the most
important is variation in the intensity of infiltration at the time, which is included in the
hydrodynamic catchment model. For those surfaces, runoff is calculated as the
difference between the effective rainfall intensity and the infiltration capacity. To
describe this phenomenon Horton infiltration model is most commonly used, defined by
the formula:
f = fc + (fo – fc)e-kt
gdzie:
f – zdolność infiltracyjna, mm/h; (infiltration capacity)
fc – końcowa zdolność infiltracyjna, mm/h; (minimum infiltration rate)
fo – początkowa zdolność infiltracyjna, mm/h; (maximum infiltration rate)
k – stała czasowa krzywej spadku tempa infiltracji, 1/h; (decay constant for the Horton
infiltration rate)
t – czas od momentu wystąpienia opadu, doba (time).
•
Model ten zakłada, że chłonność gruntu maleje asymptotycznie z wartości początkowej
fo do końcowej fc, natomiast stała czasowa k określa kształt krzywej spadku tempa
infiltracji.
•
It is assumed in the model that water absorptivity of soil decreases asymptotically from
the original value fo to the final value fc wheras time costant k determines the shape of
infiltration drop rate curve
Wykres krzywej infiltracji według modelu Hortona
The Horton infiltration curve
Obiekt badań
Model dzielnicy Zasanie w Przemyślu
Subject of Research
Obliczenia przeprowadzono na modelu rzeczywistej zlewni dzielnicy Zasanie miasta
Przemyśla, który obejmuje łącznie 633 ha. Do analizy wybrano fragment zlewni o wysokim
stopniu zurbanizowania.
The calculations were performed on the model of the actual catchment area of the city of
Przemysl, which covers a total of 633 ha. To the analysis selected the region with a high
degree of urbanization.
Zdjęcie satelitarne terenu dla którego przeprowadzono badania
Area for which research was conducted
Sieć kanalizacyjna miasta Przemyśla
Sewage system of the city of Przemysl
•
Sieć kanalizacyjna miasta Przemyśla opiera się głównie na odprowadzaniu ścieków systemem
ogólnospławnym. Ścieki z obszaru miasta transportowane są grawitacyjnie kolektorami głównymi
zlokalizowanymi po obydwu stronach rzeki San do miejskiej oczyszczalni ścieków.
Sewerage system in Przemysl is mainly based on the sewage disposal by the combined system. Sewage
from the city area are transported by gravity through the main collectors located on both sides of the
San river to the wastewater treatment plant.
•
Ze zlewni lewobrzeżnej rzeki San z dzielnicy Zasanie ścieki odprowadzane są ciśnieniowo na drugą
stronę rzeki z wykorzystaniem pompowni o wydajności do 900 dm3/s. Następnie po połączeniu z
prawobrzeżnym kolektorem kierowane są do oczyszczalni ścieków.
From the left catchment of the river San basin the sewage are disposal under pressure on the second
side by using a pumping station with rate of delivery of pumps up to 900 dm3/s. After connection with
right-bank channel, sewage are directed to the sewage treatment plant.
•
Ponadto w miejskim systemie kanalizacyjnym występują lokalne miejsca zrzutu ścieków z przelewów
burzowych do sąsiednich cieków i potoków.
•
Na znacznej długości sieci, zwłaszcza na trasie przepływu ścieków kolektorami położonymi w bliskim
sąsiedztwie rzeki San występują duże przeciążenia hydrauliczne, które przy intensywnych opadach
powodują podtopienia oraz ciśnieniowe działanie sieci.
On a substantial length of the sewage system occur large hydraulic overload, which cause land
flooded and the pressure flows in sewerage by the time of intensive raining.
Model zlewni dzielnicy Zasanie miasta Przemyśla wykonany w SWMM
The catchment model constructed in the SWMM
Model sieci kanalizacyjnej całej dzielnicy
Zasanie obejmuje 81 głównych odcinków
o łącznej długości 177,15 km. Są to kanały
betonowe o przekroju kołowym i jajowym. Ze
względu na wiek i stan przewodów do obliczeń
przyjęto wartość współczynnika szorstkości
Manninga, wynoszący 0,013. Na podstawie
dostępnych materiałów do każdego z odcinków
przyporządkowano zlewnie cząstkowe według
poniższego
schematu.
The model of sewage network of Zasanie quarter
includes 81 main sections with total length of
177,15 km. These are concrete channels with
circular and elliptical cross sections. Due to the
age and condition of channels the value of
Manning's Roughness Coefficient was assumed
to be 0,013 for calculations. On the basis of
available information materials every section got
the subcatchment assigned according to the
presented scheme.
Na podstawie dostępnych danych przyjęto stopień uszczelnienia dachów i ulic jako 90 %,
a chodników i parkingów na poziomie 80 %. W zależności od sposobu zagospodarowania terenu wyznaczono
współczynnik spływu ψ dla poszczególnych podzlewni w granicach 0,1 do 0,6. Spadki powierzchni terenu
odczytano z dostępnych map oraz na podstawie projektu systemu kanalizacyjnego.
Based on available data it was assumed that sealing rate of roofs and streets is equal to 90% and in case of
pavements and parking areas equals 80%. Depending on the land development runoff coefficient ψ was
determined for particular subcatchments in the range from 0,1 to 0,6. Slopes of terrain were read out from
available maps and on the basis of sewage network design.
Parametr
Parameters
Jednostka
Unit
Wartość
Value
Powierzchnia zlewni
Catchment area
ha
632,88
Powierzchnia zredukowana zlewni
ha
246,82
Stopień uszczelnienia zlewni
Percent of impervious area
%
10 – 60
Współczynnik Manninga powierzchni uszczelnionych
Mannings for impervious area
-
0,015
Współczynnik Manninga powierzchni nieuszczelnionych
Mannings for pervious area
-
0,30
Wysokość retencji powierzchni uszczelnionych
Depth of depression storage on impervious area
mm
1,5
Wysokość retencji powierzchni nieuszczelnionych
Depth of depression storage on pervious area
mm
7,0
Minimalna prędkość infiltracji
Minimum infiltration rate
mm/h
20
Maksymalna prędkość infiltracji
Maximum infiltration rate
mm/h
90
Stała spadku intensywności infiltracji
Decay constant for the Horton infiltration rate
1/h
4
Kalibracja modelu
The model calibration
Kalibracja modelu wykonana została z wykorzystaniem danych pomiarowych dotyczących
objętości zrzutu burzowego z lat 2007 i 2008 oraz danych dotyczących objętości ścieków
zrzucanych na przelewie do odbiornika otrzymanych w symulacji. Uzyskano współczynnik
determinacji na poziomie R2 = 0,771.
•
The model calibration was carried out with the use of measurement data concerning total
volume of wastewater discharged from storm overflow in the years of 2007 and 2008 as well
as data concerning volume of sewage discharged on the overflow to the receiver obtained
in the calculation. Coefficient of determination R2 = 0,771 was determined.
Objetość zrzutu otrzymana w symulacji, m3
•
60000
50000
y = 0,601x - 3566,2
R2 = 0,771
40000
30000
20000
10000
0
0
10000
20000
30000
40000
50000
Objętość zrzutu zmierzona, m3
60000
70000
80000
90000
Hipotetyczny model zlewni
Hypothetical model of the catchment
W celu analizy możliwości ograniczenia wielkości odpływu z dwóch typów zlewni oraz w celu określenia wpływu
sposobu zagospodarowania terenów miejskich na przepływy w sieci kanalizacyjnej stworzono hipotetyczny model
tej samej zlewni obejmujący analizowany jej fragment, który uwzględniał urządzenia stosowane
w zrównoważonym gospodarowaniu wodami opadowymi.
In order to analyze the possibility of diminishing the volume of wastewater discharged from two types of catchments
and to determine the influence of urban areas development on flow rates in sewage networks hypothetical model
of the same catchment embracing its analyzed section was created. The model assumed application of facilities
used for sustainable rainwater management.
Założenia do modelu zlewni hipotetycznej
Assumptions for the model of a hypothetical
catchment
•
W modelu tym dachy budynków zastąpiono dachami zielonymi, szczelne betonowe
i asfaltowe powierzchnie zamieniono, tam gdzie było to możliwe ze względów
eksploatacyjnych, na nawierzchnie perforowane i ażurowe. Wielkość dachów i innych
powierzchni szczelnych ustalono z pewnym przybliżeniem, m.in. na podstawie
ortofotomapy.
In this model, the roofs of buildings were replaced by the green roofs, surfaces of
concrete and asphalt were changed, where it was possible for operational reasons, on
the openwork and perforated surfaces. The size of roofs and other impervious surfaces
were determined with some approximation, inter alia, based on the orthophotomap.
•
Założono, że płaskie dachy budynków zostaną całkowicie pokryty roślinnością
charakterystyczną dla dachów ekstensywnych, tj. trawą i mchem. Przyjęto dachy
jednospadowe o nachyleniu 5 % i grubości warstw 25 cm. Współczynnik spływu
powierzchniowego dla dachów zielonych ze względu na grubość warstwy wegetacyjnej
przyjęty został na podstawie danych literaturowych i wynosił ψ = 0,3.
•
It was assumed that the flat roofs of the buildings will be completely covered with
vegetation typical for extensive roofs, such as grass and moss. Only roofs with a slope of
5% and layer thickness of 25 cm were taken into account. Runoff coefficient (ψ) for green
roofs for the thickness of vegetation layer was adopted on the basis of literature - ψ = 0.3.
•
Natomiast parametry obliczeniowe do modelu infiltracji Hortona dla dachu
zielonego przyjęto według publikacji [Hydrology Handbook] dla gruntów
o dobrej przepuszczalności porośniętych niską roślinnością.
The calculation parameters for the Horton infiltration model for the green roof
was adopted from literature [Hydrology Handbook] as for soils with good
permeability overgrown with low vegetation.
•
W przypadku dachu o tradycyjnym przykryciu założono, że infiltracja nie
występuje.
In the case of a traditional
doesn't occur
covered roof, it was assumed that infiltration
Analiza wyników symulacji
Analysis of simulation results
•
Obliczenia wykonano dla dwóch modeli zlewni: istniejącej i hipotetycznej. Do symulacji
wybrano dane opadowe z dwóch lat (2007-2008) zarejestrowane na deszczomierzach
zlokalizowanych w dzielnicy Zasanie.
The calculations were performed for two types of catchment: existing and hypothetical.
Precipitation data from the years 2007-2008 collected by rain-gauges situated in Zasanie quarter
were chosen for the simulation.
•
Przeprowadzone badania symulacyjne wykazują znaczne różnice w odpływie ze zlewni
hipotetycznej w stosunku do zlewni istniejącej. Ograniczenie spływu wód opadowych do
kanalizacji wynika głównie ze zmniejszenia stopnia uszczelnienia zlewni w skutek zwiększenia
retencyjności powierzchni oraz infiltracji wód do gruntu.
Simulation studies show significant differences in the outflow from the hypothetical catchment in
relation to an existing. Reducing of rainwater runoff to sewer follow from reduction in the degree
of sealing in the catchment area, which is caused by increase water retention and water
infiltration into the ground.
•
Program umożliwia określenie nie tylko wielkości odpływu wód deszczowych, ale również
oblicza ilość wód, które zostały zatrzymane w procesie infiltracji. Uzyskane wyniki symulacji w
programie SWMM dla dwóch rodzajów zlewni dla wybranego opadu przedstawiono poniżej.
The program can specify not only the storm water runoff, but also can calculate the quantity of
water, which have been retained in the process of infiltration. The simulation results for two
types of catchment, for selected rainfall are shown below.
Wyniki symulacji dla zlewni istniejącej i hipotetycznej dla opadu z dnia 9 maja 2007
The results of simulations for catchments of existing and hypothetical for the rainfall
of May 9, 2007
Odpływ dla przykładowej podzlewni S34
The outflow for the selected catchment S34
Zlewnia istniejąca
Existing catchment
Uzyskane wyniki symulacji w programie SWMM dla
dwóch rodzajów zlewni dla wybranego opadu
przedstawiono
na
poniższych
rysunkach.
The results obtained in the simulation in SWMM
program for two types of catchments for the chosen
precipitation are presented in the pictures.
Zlewnia hipotetyczna
Hypothetical catchment
W przypadku stanu istniejącego odpływ z tej
zlewni wynosił ponad 250 dm3/s, a dla zlewni
hipotetycznej 191 dm3/s, co daje średni stopień
redukcji odpływu na poziomie 24 %.
In the case of existing catchment, the rainwater
runoff was more than 250 dm3/s, and from the
hypothetical catchment 191 dm3/s, which gives
the average degree of reduction in runoff of 24%.
Przeciążenie systemu kanalizacyjnego
Overloading of the sewerage system
• Na niektórych odcinkach sieci w wyniku nadmiernego dopływu wód deszczowych ścieki
przepływają kanałami pod ciśnieniem, co nie pozwala na dołączanie do istniejącego
systemu kanalizacyjnego nowych terenów.
On some sections of the sewerage system due to excessive inflow of rainwater, the sewage
flow through channels under pressure, which does not allow to attach to the existing
sewerage system new areas.
• Rozwiązaniem tego problemu może być budowa zbiornika retencyjnego lub ograniczenie
spływu wód z nowoprojektowanych terenów poprzez zrównoważone gospodarowanie
wodami deszczowymi.
The solution to this problem might be building a storage reservoir or reducing rainwater
runoff from the newly designed areas through the sustainable management of rainwater.
Zlewnia istniejąca
Existing catchment
Wykres linii ciśnień na przeciążonym
odcinku sieci od studzienki nr 12 do
16.
Chart the line pressure in a channel,
which is overloading.
Zlewnia hipotetyczna
Hypothetical catchment
Jak pokazano na wykresach linii ciśnień,
zmiana sposobu zagospodarowania zlewni
mogłaby częściowo odciążyć te odcinki.
Jednak nie spowoduje to całkowitego
odciążenia przykładowego odcinka, ale skróci
czas ciśnieniowego działania kanału.
As shown at the graphs of the line pressure, a
change in catchment management could
partially unload this channel. However, this will
not completely unload the exemplary sewage
channel, but will shorten the time of pressure
flows in channel.
•
Podsumowanie
Conclusion
Z przeprowadzonej analizy możliwości zmniejszania odpływu wód deszczowych ze zlewni
zurbanizowanej w zależności od sposobu jej zagospodarowania wynika, że można uzyskać stopień
redukcji odpływu wód z rozpatrywanej zlewni w granicach 10 – 25%. Uzyskane wyniki symulacji
pokazały, że ograniczenie wielkości odpływu wód do sieci poprzez zastosowanie obiektów
ekologicznej gospodarki wodami opadowymi (m.in., zielonych dachów) może częściowo odciążać
hydraulicznie systemy kanalizacyjne i tym samym zmniejszać częstość i wielkość zrzutów burzowych.
The analysis shows that it is possible to obtain the degree of reduction of water outflow from the
catchment from 10 to 25%. The obtained simulation results showed that the reduction of rainwater
runoff to the sewerage system, through the use of objects which are used to the ecological rainwater
management (e.g., green roofs) can partly unload the sewerage systems.
•
Rozbudowa miasta idąca w kierunku rozwoju zrównoważonego przynosi korzyści nie tylko
w eksploatacji systemów kanalizacyjnych, ale również poprzez tworzenie takich obiektów, jak
przykładowo dachy zielone, poprawia walory krajobrazowe oraz wpływa na jakość życia w mieście.
Expansion of the city-reaching in the direction of sustainable development brings benefits not only in
the operation of sewer systems, but also through the creation of objects such as green roofs, improves
the landscape values ​and affects the quality of life in the city.
MODELOWANIE ODPŁYWU WÓD
DESZCZOWYCH Z DACHÓW ZIELONYCH
Modeling of storm water runoff from
green roofs
Dane wyjściowe i założenia do modelowania odpływu wód
opadowych
Primary data and assumptions for stormwater modeling
•
Do symulacji wielkości odpływu wykorzystano program komputerowy Storm Water Management
Model.
Computer program Storm Water Management Model was used for modeling the volume of outflow.
•
W symulacji odpływu wód deszczowych z różnych typów dachów wykorzystano dane opadowe
z dwóch lat (2007-2008), uzyskane z deszczomierza zlokalizowanego w Przemyślu. Odczyt
z deszczomierza następował co 10 minut.
For the simulation of volume of rainwater outflow from various types of roofs precipitation data from
years 2007 – 2008 collected by the rain-gauge situated in Przemyśl was used. Rain-gauge readout was
made in every 10 minutes.
•
Badania symulacyjne wykonano dla budynku położonego w mieście Przemyśl o powierzchni
dachowej równej 500 m2. Nawierzchnię dachu w stanie istniejącym stanowi pokrycie szczelne. Dach
jest jednospadowy, a jego powierzchnia nachylona jest ze spadkiem 5%.
Simulation research was performed for the building situated in the city of Przemyśl with the roof area
equal to 500 m2. Roof surface in existing state is made of impermeable roofing. The roof is flat
monopitch with the slope equal to 5%.
•
Założono, że dach budynku zostanie całkowicie pokryty roślinnością charakterystyczną dla dachów
ekstensywnych, tj. trawą i mchem.
It was assumed that the roof will be completely covered with vegetation typical for extensive roofs,
e.g. grass and moss.
•
Dla dachów tradycyjnych (o pokryciu szczelnym) i dachów zielonych przyjęto dane wyjściowe
jak w tabeli 1.
Primary data for traditional roofs and green roofs was taken as in Table 1.
Tabela 1. Dane wyjściowe do symulacji odpływu dla dachu szczelnego i zielonego
Rodzaj
dachu
Roof type
Dach
szczelny
Traditional
roof
Dach
zielony
Green roof
Grubość
warstw dachu
zielonego
Thickness of
green roof
layers
Powierzchnia
dachu
Roof surface
Współczynnik
spływu
Runoff
coeffcient
Nachylenie
dachu
Roof slope
m2
-
%
cm
500
0,80
5
-
0,50
500
0,40
0,30
10
5
15
25
•
Współczynnik spływu powierzchniowego dla dachu zielonego przyjęty został ze względu na grubość warstwy
wegetacyjnej.
Runoff coefficient for green roofs was taken in relation to the thickness of vegetation layer.
•
W symulacji odpływu analizowano proces infiltracji według Modelu Hortona. Parametry obliczeniowe do
Modelu Hortona dla dachu zielonego przyjęto jak dla gruntów porośniętych niską roślinnością, o dobrej
przepuszczalności. W przypadku dachu o tradycyjnych przykryciu przyjęto, że infiltracja nie występuje.
•
In runoff simulation the infiltration process was analyzed according to Horton’s Model. In case of green roofs,
computational data for Horton’s Model was taken as for soil characterized by high permeability overgrown
with low vegetation. In case of traditional roofs it was assumed that infiltration does not occur.
Badania i analiza wyników
Research and results analysis
•
Celem analizy jest porównanie wielkości odpływu wód deszczowych z tradycyjnego dachu pokrytego
materiałem szczelnym i z dachu zielonego pokrytego roślinnością. W symulacji odpływu przyjęto różne grubości
warstwy dachu zielonego.
The aim of analysis is comparison between the volume of rainwater runoff from traditional roof paved with
impermeable material and green roof paved with vegetation. For runoff simulation different thicknesses of
green roof layers were taken.
•
Dla dwóch typów dachów odpływ wód deszczowych znacznie się różni. Na rysunku 3 przedstawiono wyniki
symulacji ukazujące wynikowe wielkości odpływu z dachu szczelnego i zielonego z powierzchni 500 m2.
The runoff is significantly different for two types of roofs. In the the Figure 3 the simulation results show the volume
of runoff from traditional and green roof of a surface 500 m2.
Rys. 3. Wyniki symulacji w programie SWMM dla dachu zielonego i szczelnego o powierzchni 500 m2 każdy, dla
opadu z 18 sierpnia 2007 roku dla współczynników odpływu równych odpowiednio: 0,3; 0,4 oraz 0,5
Fig. 3. Simulation results from SWMM program for green and traditional roof of a surface 500 m 2 each,
precipitation from 18 August 2007, runoff coefficients equal: 0,3; 0,4 and 0,5
Program SWMM umożliwia określenie wielkości odpływu z każdego obiektu. Ponadto, po
określeniu odpowiednich danych wejściowych, oblicza ilość wód, które dachy zielone były
w stanie zatrzymać w procesie infiltracji. Widoczna jest ścisła zależność między ilością wód
deszczowych zatrzymanych w warstwach dachu zielonego (a tym samym odpływem wód z
dachu do kanalizacji), a grubością warstwy wegetatywnej, która w programie regulowana
jest poprzez określenie współczynnika odpływu. Na rysunku 4 przedstawiono odpływ z
rozważanych powierzchni dachowych dla wybranego dnia.
SWMM program enables to determine runoff volume from every object. Moreover, after
incorporating appropriate primary data, it calculates the amount of water, that is possible to
retain by the green roof in process of infiltration. There is evident relation between the
volume of rainwater retained by green roof layers (thereby rainwater runoff from the roof to
the sewage network) and the thickness of vegetation layer, which in program is adjusted by
defining runoff coefficient. In Figure 4 rainwater runoff from considered roof surfaces for the
chosen day are presented.
Rys. 4. Wyniki symulacji w programie SWMM dla dachu zielonego o współczynniku spływu równym 0,50
oraz szczelnego o powierzchni 500 m2 każdy dla opadu z 18 sierpnia 2007 roku
Fig. 4. The results of simulation in SWMM program for each green roof of a runoff coefficient 0,50
and for traditional roof of a surface 500 m 2 each and for precipitation from 18 August 2007
•
Badania symulacyjne wykazują znaczne różnice w odpływie z dachu zielonego
w stosunku do wielkości odpływu z tradycyjnie pokrytego budynku. Różnice te są tym
większe, im większa jest grubość warstwy dachu zielonego.
Simulation results reveal significant differences between runoff from green roof and
runoff volume from traditionally paved roof. Difference is the greater, the thicker is the
layer of green roof.
•
Wartości retencji w dniu 18 sierpnia dla wybranych opadów wahały się od 26,7 % dla
warstw dachu o grubości 10 cm, do nawet 91,7 % dla większych grubości warstw.
Najwięcej wód deszczowych dało się zatrzymać w najgrubszej warstwie (25 cm).
Retention value on 18 August for chosen precipitation varied from 26,7 % for roof layer
of 10 cm thickness to even 91,7 % for thicker layers. The biggest amount of water was
retained in the thickest layer (25 cm).
•
Podobne badania na dachach zielonych potwierdziły zależność stopnia
retencyjności dachu zielonego od grubości warstwy dachu zielonego. Ponadto,
warstwa gruntu ma pewną ograniczoną zdolność zatrzymywania wód deszczowych,
przez co redukcja odpływu maleje wraz ze wzrostem wysokości opadu.
Similar research on green roofs confirmed dependence of retention rate of roof from
thickness of green roof layer. Moreover, soil layer has limited ability to retain rainwater,
therefore rainwater runoff reduction decreases along with increase of precipitation.
W zależności od grubości warstwy wielkość odpływu zmienia się w czasie trwania opadu,
jak to przedstawiono na rysunku 6.
Depending on the thickness of layer the runoff volume changes during the rainfall, what is
shown in Figure 6.
Rys. 6. Wyniki symulacji w programie SWMM dla dachów zielonych o różnych grubościach warstw
o powierzchni 500 m2 każdy dla opadu z 18 sierpnia 2007 roku
Fig. 6. Results of simulation in SWMM program for green roofs of surface equal 500 m 2
characterized by different thicknesses of layers for the precipitation of 18 August 2007
Podsumowanie
Conclusion
•
Przedstawiona analiza odpływu wód deszczowych z dachów zielonych pokazała, iż mogą
one stanowić element ekologicznego gospodarowania wodą opadową w miastach.
Uzyskane wyniki symulacji wskazują, że spływ z tego typu powierzchni może być znacznie
zmniejszony, w zależności od grubości warstw dachu a także wielkości opadu.
Presented analysis of rainwater runoff from green roofs proved that they can be the part of
ecological rainwater management in the cities. Obtained results of simulation indicate that
runoff from this type of surface may be considerably decreased, what is dependent on the
thickness of roof layers and amount of precipitation.
•
Wykorzystanie tej jako jednej z wielu możliwości ma to duże znaczenie, zwłaszcza przy
odprowadzaniu wód opadowych do systemów kanalizacji. Retencjonując wodę już w
miejscu jej powstawania, a więc na dachach oraz opóźniając jej odpływ, można odciążyć
hydraulicznie, często i tak już przeciążoną sieć kanalizacyjną.
Use of this solution is significant, especially when it comes to rainwater discharge to the
sewage network. Rainwater retention in the place of rainfall occurrence and delaying the
discharge may hydraulically relieve sewage network.
•
Ograniczenie ilości wód opadowych, jakie są odprowadzane w czasie deszczu do
kanalizacji ogólnospławnej wpłynie także na zmniejszenie częstości i wielkości zrzutów
burzowych do rzeki.
Reduction of rainwater amount discharged to the combined sewage network during the
precipitation may result as well in decrease of frequency and volume of wastewater
discharged to the river by storm sewer.
ANALIZA FINANSOWA WARIANTÓW
ZAGOSPODAROWANIA WÓD
OPADOWYCH
A financial analysis of rainwater
management variants
Wprowadzenie
Introduction
•
Analizie poddano trzy alternatywne warianty zagospodarowania wód deszczowych dla budynku
mieszkalnego wielorodzinnego zlokalizowanego w Rzeszowie (Polska). Z punktu widzenia
użytkownika budynku, przy podejmowaniu decyzji o wyborze sposobu zagospodarowania wód
deszczowych, jednym z najistotniejszych czynników są koszty. Ponieważ obiektem badań jest nowo
powstający budynek jako narzędzie analizy finansowej wykorzystano metodologię LCC (Life Cycle
Cost).
This paper presents an analysis of three selected rainwater management variants for
a multi-family dwelling house located in Rzeszow (Poland). From the point of view of the building’s
user, costs are considered as the most important factors when decisions on selection of the rainwater
management method are to be taken. As the subject of the study is a newly erected building, the
Life
Cycle
Cost
(LCC)
methodology
has
been
adopted
as
a financial analysis tool.
•



Analizę przeprowadzono dla następujących wariantów zagospodarowania wód opadowych w
rozpatrywanym budynku:
odprowadzenie wód opadowych z dachu budynku do sieci kanalizacyjnej - wariant I,
retencja wód opadowych na dachu zielonym - wariant II,
wykorzystanie wody opadowe do spłukiwania toalet w budynku - wariant III.



The analysis was carried out for the following variants of the precipitation water management
method to be adopted in the building:
disposal of precipitation water from the building roof to sewage system - Variant I;
retention of precipitation water on the building’s green roof - Variant II;
utilization of precipitation water for flushing toilets in the building - Variant III.
Metodologia LCC (Life Cycle Cost)
The LCC Methodology
•
Metodologia określenia kosztów istnienia obiektu jako tzw. kosztów całego życia umożliwia
dokonanie analizy porównawczej kosztów dla wyznaczonego przedziału czasu uwzględniając
wszystkie istotne czynniki ekonomiczne odnoszące się do początkowych nakładów kapitałowych,
jak i przyszłych kosztów eksploatacyjnych. Metoda ta jest bardzo przydatna między innymi przy
ocenie przedsięwzięć inwestycyjnych, gdyż dzięki porównaniu przyszłych kosztów różnych rozwiązań
alternatywnych pozwala na wybór najbardziej ekonomicznego projektu.
The methodology consisting in determination of costs relating to existence of a facility as the socalled
life
cycle
cost
allows
to
carry
out
a
comparative
cost
analysis
for
a determined time period with all economically important factors relating both to initial capital
outlays and future operating costs taken into consideration. The method is very useful, among other
things, in assessment of investment undertakings, as by comparing costs relating to different
alternative solutions it is possible to select the most economic project option.
•
Dla każdego z przyjętych wariantów zagospodarowania wód opadowych oraz dla przyjętego czasu
trwania inwestycji koszty LCC wyznaczono z zależności :
For each of the adopted precipitation water management variants and for the adopted investment
duration period, LCC costs were determined from formula
T
t 
LCC  K I   1  r    K E
 t 1

gdzie: KI – nakłady inwestycyjne, zł; KE – koszty eksploatacyjne, zł; T – czas trwania analizy LCC, lata; r –
stała stopa dyskontowa, -; t – kolejny rok użytkowania obiektu, -.
where: KI - investment outlays [€]; KE - operating costs [€]; T - LCC analysis duration period [years]; r fixed discount rate [-]; t - consecutive year of operation of the facility [-].
Dane wejściowe
Model input data
Analizę LCC systemu zagospodarowania wód deszczowych przeprowadzono dla budynku
wielorodzinnego o następujących parametrach:
liczba pięter: 4,
liczba klatek: 2,
liczba mieszkańców: 70,
powierzchnia dachu, F = 455 m2,
średniodobowe zapotrzebowanie na wodę do spłukiwania toalet w budynku:
2,45 m3/d.
The LCC analysis of the rainwater management system was carried out for a multi-family
building with the following parameters:
number of floors: 4,
number of stairwells: 2,
number of residents: 70,
roof surface area, F = 455 m2,
average daily water demand for toilets flushing in the building: 2.45 m3/d.
W obliczeniach wykorzystano dane archiwalne o wysokości opadów dobowych z okresu 10 lat
dla miasta Rzeszowa, które położone jest w południowo-wschodniej części Polski. Średni opad
roczny w tym okresie wynosił 612 mm. Do analizy kosztów LCC przyjęto 30-letni okres istnienia
obiektu oraz stałą stopę dyskontową r = 0,05.
In the calculations, archive data on daily precipitation levels were used gathered for a period
of 10 years in the town of Rzeszow located in south-eastern part of Poland. The average annual
precipitation for that period amounted to 612 mm. For the purpose of LCC analysis, a 30-years
long life cycle of the facility was assumed and a fixed discount rate r = 0.05.
Wariant I – Odprowadzenie wód opadowych z dachu budynku
do sieci kanalizacyjnej
Variant I - Discharging precipitation water from building roof to
the sewage system
•
W wariancie I założono, że wody opadowe z dachu zostaną w całości odprowadzone
do istniejącej sieci kanalizacyjnej. W obliczeniach ilości spływających wód
deszczowych przyjęto średni współczynnik spływu z połaci dachu ψ = 0,8.
In Variant I it was assumed that precipitation water from roof will be discharged in full to
the existing sewage system. The average coefficient of runoff from the roof slope ψ =
0.8 was adopted for calculations.
•
Ze względu na to, że analiza kosztów inwestycji wykonywana jest pod kątem
użytkownika obiektu, który nie ponosi nakładów finansowych na budowę sieci, w
analizie LCC w tym przypadku uwzględniono tylko koszty eksploatacyjne, na które
składają się opłaty za odprowadzenie wód opadowych do kanalizacji.
In view of the fact that the investment cost analysis is focused on the point of view of
the building user who does not incur financial outlays for development of sewerage
network, the LCC analysis accounts in this case only for operating costs including fees
for discharging precipitation water to sewage system.
•
Dla analizowanego budynku przyjęto stawkę za 1 m2 powierzchni dachu równą 0,25
euro/m2/rok.
For the analyzed building, the fee rate amounting to 0.25 € per year and square meter
of the roof surface area was adopted.
Wariant II – Retencja wód opadowych na dachu zielonym
Variant II - Retention of precipitation water on a green roof
•
W wariancie II tradycyjny dach budynku został zastąpiony dachem zielonym ekstensywnym o
grubości warstwy substratu 10 cm i roślinnością typu rozchodniki. Dachy zielone ekstensywne ze
względu na niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne są częściej stosowane niż intensywne. W
Niemczech, które uważane są za kraj najbardziej zaawansowany w technologii instalowania dachów
zielonych, ponad 80 % z nich stanowią systemy ekstensywne.
In Variant II, traditional roofing of the building is replaced with an extensive green roof with 10 cm
thick substrate layer and vegetation of the stonecrop type. Extensive green roofs, in view of their low
investment and operating costs, are used more frequently than intensive ones. In Germany, the
country acknowledged as the most advances in the green roof technology, more than 80% of the
systems installed are extensive ones.
•
W analizowanym wariancie II przyjęto 2% spadek dachu i układ warstw jak na rysunku 1.
It was assumed that the roof analyzed in Variant II had slope inclination of 2% and the structure of
layers as shown in Figure 1.
Rys. 1. Przekrój przez warstwy analizowanego dachu, 1 –
roślinność ekstensywna, 2 – substrat dachowy,
3 – geowłóknina filtracyjna, 4 – drenaż żwirowy, 5 –
geowłóknina chłonno-ochronno, A – warstwa ślizgowa,
B – hydroizolacja, C – termoizolacja, D – paraizolacja, E –
konstrukcja nośna
Fig. 1. Cross section through the layers of the analyzed
roof, 1 – extensive vegetation, 2 – growing medium,
3 – filter fabric, 4 – drainage layer, 5 – protection fabric, A
– membrane, B – waterproofing membrane,
C – thermal insulation, D – vapor barrier, E – supporting
structure
W analizie LCC przyjęto koszty wykonania dachu zielonego (tab. 1) o układzie warstw jak
na rysunku 1.
In the LCC analysis, the green roof construction cost (Table 1) was adopted according to
the layered design presented in Figure 1.
Tabela 1. Koszt wykonania 1 m2 dachu zielonego ekstensywnego
Table 1. The cost of the implementation of extensive green roof
Warstwa
Layer
Roślinność ekstensywna
Extensive vegetation
Substrat dachowy 10 cm
Roof substrate 10 cm
Geowłóknina filtracyjna
Unwoven filtration geofabric
Drenaż z kruszyw nasiąkliwych 5 cm
Drainage layer of water-absorbing
aggregates, 5 cm
Geowłóknina chłonno-ochronna PP
Absorbing-protecting unwoven geofabric PP
Materiały razem
Subtotal, materials
Koszt robocizny
Labor costs
SUMA
TOTAL
Cena jednostkowa
Unit price
euro/m2
4,19
5,14
2,61
1,19
1,98
15,11
11,36
26,47
•
W nakładach inwestycyjnych nie uwzględniono kosztów związanych z wykonaniem konstrukcji o
zwiększonej wytrzymałości. Wynika to z faktu, że analizowany dach charakteryzuje się niewielkim
ciężarem i dla budynku o powierzchni 455 m2 nie jest wymagane wzmocnienie jego konstrukcji.
•
The investment outlays do not include costs related to construction of a top floor ceiling with
increased carrying capacity. This follows from the fact that the roof adopted for the analysis is a
lightweight solution and for a building with surface area of 455 m2 any reinforcement of its structure is
not necessary.
•
Dachy ekstensywne, po okresie aklimatyzacji, są stosunkowo łatwe w utrzymaniu. Przy zastosowaniu
roślinności sucholubnej, jak rozchodniki, rojniki czy niektóre mchy, nie potrzebują wiele wody. W
związku z tym koszty eksploatacyjne na podstawie analiz wykonanych i eksploatowanych dachów
ekstensywnych przyjęto na poziomie 0,23 euro/m2/rok.
•
Maintenance of extensive roofs, after a period of acclimatization, is relatively easy. With the use of
xerophilous vegetation such as stonecrops, sengreens or some mosses, the plants require little water.
For that reason, on the grounds of analyses carried out for actually constructed and operated
extensive green roofs, operating costs at the level of 0.23 €/m2/yr were adopted.
•
Ponadto uwzględniono koszty odprowadzania nadmiaru wód deszczowych, których dach po
osiągnięciu maksymalnego poziomu nawodnienia, nie był w stanie zmagazynować. Ilość tych wód
została obliczona w modelu symulacyjnym na podstawie danych opadowych z okresu 10 lat. Średnia
objętość odprowadzanych wód deszczowych do sieci kanalizacyjnej wynosiła 16,31 m3/rok. Koszt
odprowadzenia 1 m3 wód opadowych określono na poziomie 0,68 euro/m3.
Apart from that, the cost was taken into account related to disposal of the excess rainwater
impossible to store on the roof after reaching a maximum watering level. The quantity was calculated
in a simulation model based on precipitation data for the period of 10 years. The average volume of
rainwater discharged to sewage system was 16.31 m3/yr. The costs related to discharging
precipitation water was assumed as amounting to 0.68 €/m3
Wariant III – Wykorzystanie wody opadowej do spłukiwania
toalet w budynku
Variant III - Utilization of precipitation water for flushing toilets in
the building
•
W analizowanym wariancie III wody opadowe z dachu zostaną odprowadzone do
zbiornika zlokalizowanego w piwnicach. Na podstawie zapotrzebowania na wodę do
spłukiwania toalet wyznaczono jego pojemność, Vzb = 22,5 m3. Zużycie wody do tego
celu wynosi przeciętnie 30 % całkowitego zapotrzebowania na wodę dla budynku
mieszkalnego.
In Variant III subject to the analysis, precipitation water will be channeled from roof to a
reservoir installed in basement. Its volume, Vzb = 22.5 m3, was determined based on
demand of water for flushing toilets. The related water consumption was assessed as
amounting on average to 30% of the whole water demand in a dwelling house.
•
Woda ze zbiornika do misek ustępowych dostarczana będzie poprzez układ
pompowy. W przypadku, gdy ilość zmagazynowanych w zbiorniku wód deszczowych
będzie niewystarczająca, to do zbiornika doprowadzona zostanie woda z sieci
wodociągowej.
From the reservoir, water will be supplied to toilet bowls by means of a pumping system.
In the case of the amount of water stored in the rainwater reservoir being insufficient,
the tank will be supplied with tap water.
Wyniki analizy
Results
•
W każdym z wariantów w nakładach inwestycyjnych uwzględniono koszt wewnętrznej instalacji
doprowadzającej wodę z sieci wodociągowej do spłukiwania toalet, który wynosił 5114 euro. Ponadto w
wariancie II oprócz w/w kosztów w nakładach inwestycyjnych uwzględniono koszty wykonania zielonego
dachu ekstensywnego (12 044 euro), a w wariancie III koszt instalacji gospodarczej wykorzystującej wody
opadowe. Określone w kosztorysie koszty inwestycyjne tego wariantu wynoszą 16 990 euro.
In each of the variants, the amount of 5,114 € was taken into account in the investment outlays representing
the cost of construction of internal piping system supplying water for flushing toilets. Apart from this cost,
investment outlays in Variant II include also the costs of construction of the extensive green roof (12,044 €), and
in Variant III - the cost of the utility system utilizing precipitation water. Capital costs of this variant determined in
the investment cost estimate amount to 16,990 €.
•
Z kolei w kosztach eksploatacyjnych każdego z wariantów wzięto pod uwagę koszty zakupu wody
wodociągowej i odprowadzenia ścieków sanitarnych do kanalizacji. Przy obliczeniach wykorzystano
następujące dane:
 cena zakupu 1 m3 wody wodociągowej, cw = 0,85 euro;
 cena odprowadzenia 1 m3 ścieków, cs = 0,7 euro;
 roczna ilość wody wodociągowej doprowadzanej do toalet: 894,25 m3.
Further, operating costs specific for each of the variants included the tap water purchase cost and fees for
discharging wastewater to the sewage system. The following figures were used for calculations:
 tap water purchase price, cw = 0.85 €/m3;
 sewage discharge price, cs = 0.7 €/m3;
 volume of tap water supplied to toilets: 894.25 m 3/yr.
•
Natomiast w analizie kosztów użytkowania wariantu III uwzględniono koszt zakupu energii elektrycznej zużytej
do pompowania wody do odbiorców ze zbiornika magazynującego wody deszczowe (ce = 0,13 euro/1kWh).
On the other hand, operating costs for Variant III include the price of electric energy used for pumping water
to recipients from the rainwater storage reservoir (ce = 0.13 €/kWh).
Otrzymane wyniki analizy kosztów LCC przedstawiono w tabeli 2.
Results of the LCC analysis are presented in Table 2.
Tabela 2. Zestawienie kosztów analizowanych wariantów inwestycyjnych
Table 2. Summary of the cost the analyzed investment options
Wariant zagospodarowania
wód opadowych
Precipitation water
management variant
Koszty inwestycyjne, euro
Investment costs
Koszty eksploatacyjne,
euro
Operating costs
Koszty LCC, euro
Cost of LCC
Variant I
5 114
22 930
28 044
Variant II
17 158
21 514
38 672
Variant III
22 113
20 420
42 533
Przeprowadzona analiza LCC różnych wariantów zagospodarowania wód deszczowych dla budynku
wielorodzinnego pozwala na sformułowanie następujących wniosków:
The LCC analysis carried out for different rainwater management
a multi-family dwelling building allows to formulate the following conclusions:
•
variant
applied
najmniejsze koszty LCC uzyskano dla wariantu, w którym wody opadowe z dachu odprowadzano
bezpośrednio do sieci kanalizacyjnej. Wynika to z faktu, że w wariancie tym nie są ponoszone
dodatkowe nakłady inwestycyjne, tak jak ma to miejsce w wariancie II i III. Jednak koszty
eksploatacyjne w tym przypadku były największe.
The less LCC was obtained for the variant in which precipitation water from the roof is discharged
directly to the sewage system. This follows from the fact that this variant does not require additional
investment outlays incurred in Variants II and III. However, operating costs are highest in this case.
in
•
zastosowanie wariantów II i III dla przedmiotowego budynku nie jest obecnie
opłacalne, zatem za ich wdrożeniem muszą przemawiać kryteria niefinansowe, np.
kryteria ochrony środowiska. Koszty eksploatacyjne są tylko nieznacznie niższe w
stosunku do wariantu I, co nie rekompensuje poniesionych nakładów inwestycyjnych.
Implementation of Variants II and III in the building in question is not profitable at the
moment, therefore non-financial criteria must argue for these solutions, such as eg
environment protection aspects. Operational costs are only slightly lower that those in
Variant I to a degree not compensating the incurred capital costs.
•
wdrożenie
systemu
gospodarczego
wykorzystania
wody
deszczowej
w analizowanym budynku jest najkosztowniejsze, a oszczędności wynikające
z zastąpienia wody wodociągowej wodą deszczową są niskie i nie wpływają na
podniesienie rentowności tej inwestycji.
Implementation of the system providing for commercial utilization of rainwater in the
analyzed building is the most expensive, and economies resulting from replacing tap
water with rainwater are small and have no effect on the overall profitability of the
investment.
•
biorąc pod uwagę kryterium środowiskowe, zagospodarowanie wód opadowych
w wariancie II i III ogranicza ilość wód odprowadzanych do kanalizacji, co korzystnie
wpływa na odbiornik, którym najczęściej są wody powierzchniowe. Ponadto dachy zielone
pochłaniają dwutlenek węgla, wydzielają tlen, zatrzymują kurz i inne zanieczyszczenia.
From the point of view of environmental criteria, utilization of precipitation water in Variants
II and III reduces the amount of water disposed to the sewage system and has a positive
effect on the receiving water, ie typically surface waters. Moreover, green roofs absorb
carbon dioxide, generate oxygen, and intercept dust and other pollutants.
•
wariant II może wpłynąć również na poprawę ekonomiki użytkowania budynku. Dachy
zielone dzięki swoim właściwościom termoizolacyjnym korzystnie oddziałują na
mikroklimat w budynku. W lecie zapobiegają przegrzaniu a zimą ograniczają straty ciepła,
przez co wpływają na obniżenie kosztów ponoszonych na ogrzewanie budynku lub jego
chłodzenie. Ponadto przeprowadzone liczne badania pokazują, że dachy zielone są
dwukrotnie trwalsze w stosunku do tradycyjnych pokryć dachowych.
Variant II can additionally improve the overall economics of the building. Green roofs,
thanks to their thermal insulation properties, have positive effect on microclimate inside the
building. In summer they prevent overheating, reducing heat losses in cold seasons, thus
contributing to reduction of energy consumption for heating and air conditioning. Further,
according to numerous studies, green roofs are up to two times more durable than those
covered with traditional roofing materials.
Dziękuję za uwagę
Ďakujem za
pozornosť
Děkuji za
pozornost