Inne spojrzenie na proces mieszania - Eko-DOk

Infiltracja, opad atmosferyczny, retencja, odwodnienie terenów
Monika NOWAKOWSKA, Bartosz KAŹMIERCZAK*
O ZAGOSPODAROWANIU I INFILTRACJI
WÓD OPADOWYCH
Polska jest jednym z krajów Europy posiadającym najmniejsze zasoby wód podziemnych, które wciąż
maleją. W ostatnich latach obserwowany jest wzrost intensywności opadów atmosferycznych oraz
zwiększenie liczby dni deszczowych w miesiącach letnich. Intensywne opady nawalne często wywołują przepełnianie się systemów odwodnieniowych i miejscowe wylania. Jednocześnie postępująca
urbanizacja terenów przyczynia się m.in. do zwiększenia powierzchni uszczelnionych, takich jak dachy, drogi czy parkingi. W efekcie, z powodu szybkiego odprowadzania wód opadowych do odbiorników naturalnych poprzez systemy kanalizacyjne, znacznie zmniejsza się strumień wody infiltrującej
do gruntu i zasilającej zasoby wód podziemnych. W pracy zarysowano problem zagospodarowania
wód opadowych oraz przedstawiono sposoby zwiększenia ich infiltracji do gruntu.
1. WSTĘP
Naturalny obieg wody w przyrodzie charakteryzuje się równowagą pomiędzy zjawiskami opadu a procesami spływu, infiltracji i transpiracji wody opadowej. Dynamiczna urbanizacja terenów miejskich przyczynia się do zwiększania powierzchni
uszczelnionych na obszarach do niedawna słabo zagospodarowanych i pokrytych
roślinnością. Skutkuje to zmianami intensywności odpływu wód opadowych [1, 3, 5,
11, 14].
Wielkość infiltracji wód opadowych do gruntu w warunkach naturalnych szacowana jest na poziomie 90%, przy spływie powierzchniowym wynoszącym więc zaledwie około 10%. Rozwój miast i związany z tym proces uszczelniania powierzchni
burzy te proporcje. W zależności od stopnia urbanizacji, infiltracja zostaje ograniczona do 30÷60% w przypadku budownictwa jednorodzinnego, a nawet do poziomu poniżej 20% w ścisłych centrach miast (rys. 1).
__________
*
Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska,
pl. Grunwaldzki 9, 50-377 Wrocław.
360
M. NOWAKOWSKA, B. KAŹMIERCZAK
Rys. 1. Stopień infiltracji wód opadowych w zależności od stopnia urbanizacji terenu [17]
Dotychczasowe sposoby usuwania wód opadowych z terenów zurbanizowanych
polegały na zebraniu i jak najszybszym ich odprowadzeniu systemami kanalizacyjnymi do naturalnych odbiorników. Intensywny wzrost wielkości strumienia odprowadzanych ścieków deszczowych powoduje przeciążenie hydrauliczne eksploatowanych
systemów odwodnieniowych, a także szybki wzrost zagrożenia powodziowego
w trakcie trwania długotrwałych i intensywnych opadów deszczowych [5, 6, 7, 8, 9,
12]. Zmuszać to nas powinno do zastosowania nowych rozwiązań, mających na celu
ograniczenie odprowadzania wód opadowych do systemów kanalizacyjnych na rzecz
wykorzystania naturalnych procesów infiltracji wód opadowych do gruntu [3, 4, 14,
15, 16].
2. CHARAKTERYSTYKA OPADÓW ATMOSFERYCZNYCH
Opady atmosferyczne występują w postaci ciekłej - deszczu lub mżawki, jak i stałej - śniegu czy gradu. Do wymiarowania odwodnień terenów pod uwagę brane są
głównie opady deszczu, ze względu, że dają największe chwilowe odpływy. Zjawisko
opadów deszczowych charakteryzują 3 parametry: intensywność deszczu I (lub zamiennie natężenie q), czas trwania deszczu t oraz zasięg terytorialny F. Intensywność
deszczu jest zmienna zarówno w czasie, jak i przestrzeni objętej opadem. Deszcze
wyjątkowo intensywne, tzw. ulewne czy nawalne, zdarzają się rzadko, trwają zazwyczaj krótko i mają najczęściej mały zasięg terytorialny.
Podstawową formą ilościowego opisu deszczy są zależności: intensywności
I (w mm/min) lub natężenia jednostkowego q (w dm3/s·ha) bądź wysokości h (w mm)
opadu od czasu jego trwania t i prawdopodobieństwa wystąpienia p, bądź też zamiennie od częstości - powtarzalności C opadu (w latach), typu [5, 8, 9]:
O zagospodarowaniu i infiltracji wód opadowych
361
I  I (t , p);
(1)
q  q(t , p);
h  h(t , p)
Związek intensywności (natężenia jednostkowego bądź wysokości) opadu z czasem jego trwania prezentowany jest najczęściej w postaci krzywych typu IDF (ang.
Intensity-Duration-Frequency), bądź też krzywych typu DDF (ang. Depth-DurationFrequency), dla różnych prawdopodobieństw p (lub zamiennie częstości C) wystąpienia opadu. Krzywe te stanowią rodzinę hiperbol o ogólnym równaniu:
I
a
c
(t  b) n
(2)
gdzie:
a, b, c, n - współczynniki empiryczne, zależne od prawdopodobieństwa pojawienia
się danego deszczu oraz od czynników klimatycznych i fizjograficznych zlewni [8,
10].
3. CHARAKTERYSTYKA PROCESU INFILTRACJI
Na intensywność procesu infiltracji wód deszczowych do środowiska gruntowego
mają wpływ przede wszystkim warunki geologiczne i glebowe. W wymiarowaniu
i doborze urządzeń służących do infiltracji wód deszczowych decydująca jest znajomość parametrów hydrogeologicznych gruntu. Najważniejsze z nich to wodoprzepuszczalność, porowatość, szczelinowość, wodochłonność, odsączalność i uziarnienie
[16]. Wodoprzepuszczalność to zdolność gruntu do przepuszczania wody siecią kanalików, utworzonych z jego porów. Stopień wodoprzepuszczalności gruntu określany
jest przy pomocy współczynnika filtracji kf . Określenie jego wielkości można przeprowadzić poprzez analizę laboratoryjną próbek gruntu np. w aparacie Darcy’ego lub
analizując skład granulometryczny. Współczynnik filtracji można również wyznaczyć
metodą badań terenowych, która polega na obserwacji prędkości wsiąkania wody
w miejscu zabudowy urządzeń infiltracyjnych. W tym celu przygotowuje się wykop
o głębokości przewidzianej dla urządzenia infiltracyjnego, w którego dnie wykonuje
się dodatkowe zagłębienie o wymiarach 30 x 30 x 15 cm (odpowiednio długość, szerokość i głębokość). Grunt wokół stanowiska pomiarowego nawadnia się przez kilka
godzin kilkudziesięcioma dm3 wody. Do tak przygotowanego otworu wlewa się
12,5 dm3 wody i dokonuje się pomiaru czasu jej wsiąkania. Mając określony czas
wsiąkania wody w wykopie, na podstawie tabeli 1 można określić rodzaj gruntu,
a następnie z wzoru (3) obliczyć współczynnik filtracji [15].
362
M. NOWAKOWSKA, B. KAŹMIERCZAK
Tabela 1. Rodzaj gruntu w zależności od czasu wsiąkania wody w wykopie
Czas wsiąkania tw [min]
< 2 min
2 - 18 min
18 - 180 min
180 - 780 min
> 780 min
kf 
Rodzaj gruntu
rumosze, żwiry, pospółki
piaski grube i średnie
piaski drobne, lessy
piaski pylaste i gliniaste
gliny, iły, skały niespękane
a  ln 4  h0  a   ln a
4  tw
(3)
gdzie:
kf – współczynnik filtracji, m/s;
a – długość boku otworu pomiarowego, m;
h0 – głębokość wody w otworze pomiarowym na początku pomiaru, m;
tw – czas trwania pomiaru wsiąkania, s.
Przebieg zjawiska infiltracji wód w strefie aeracji (napowietrzenia) zmienia się
odwrotnie proporcjonalnie do głębokości gruntu i czasu jego trwania. Na początku
wsiąkania proces ten przebiega bardzo dynamicznie, a wraz z przesuwaniem się strefy
nasycenia i upływem czasu jego intensywność maleje [4]. Wynika to z faktu, iż wilgotność gruntu wzrasta wraz ze zbliżaniem się do poziomu zalegania zwierciadła wód
podziemnych (strefy saturacji - całkowitego nasycenia porów gruntu wodą). Dlatego
w projektowaniu urządzeń do infiltracji wód deszczowych w obliczeniach dla strefy
nienasyconej należy posługiwać się średnią wartością współczynnika filtracji wg zależności:
k fsr 
k f max  k f min
2

kf
2
(4)
gdzie:
kf max - wartość współczynnika filtracji przy powierzchni gruntu (równe kf), m/s;
kf min - wartość współczynnika filtracji na styku strefy aeracji i saturacji gruntu
(na powierzchni wody podziemnej w przybliżeniu równa zero), m/s.
Przy pionowej filtracji wody powierzchniowej do gruntu zakłada się na ogół, że
spadek hydrauliczny J dąży do 1, zatem wzór na średnią prędkość filtracji w strefie
aeracji przyjmie postać:
v f  k fsr  J 
kf
2
(5)
O zagospodarowaniu i infiltracji wód opadowych
363
Podstawę do bilansowania strumienia wody w urządzeniach do infiltracji wody
deszczowej oraz doboru wymaganej ich objętości jest zdolność chłonna urządzenia
Qw (w m3/s):
Qw  v f  F 
kf
2
F
(6)
gdzie:
F – powierzchnia efektywna infiltracji, m2.
4. URZĄDZENIA DO INFILTRACJI WÓD OPADOWYCH
Najprostszym i najkorzystniejszym ekologicznie sposobem zagospodarowania wód
deszczowych jest ich zatrzymanie w miejscu opadu i skierowanie do podłoża gruntowego. Urządzenia do infiltracji wód opadowych można jednak stosować tylko
w przypadkach, gdy chemiczne, fizyczne i biologiczne właściwości wód opadowych
nie mają ujemnego wpływu na własności wód gruntowych. Przy projektowaniu urządzeń infiltrujących należy też zapoznać się z położeniem stref ochronnych źródeł
i ujęć wody [4].
Konieczne jest przestrzeganie zasad dotyczących usytuowanie urządzeń infiltracyjnych, które nie może wywoływać szkód w sąsiadujących z nimi budynkami lub
innymi urządzeniami infrastruktury technicznej. I tak w przypadku budynków o konstrukcji odpornej na działanie wód gruntowych, ich odległość od urządzenia nie odgrywa dużej roli. Jeśli poziom wód gruntowych znajduje się stale poniżej poziomu
posadowienia budynku, odległość urządzenia infiltracyjnego od budynku powinna
wynosić co najmniej 1,5-krotną wartość głębokości wykopu liczoną od jego dolnej
krawędzi. Odległość urządzenia do wsiąkania wód opadowych od istniejącego budynku podpiwniczonego wyznacza się zakładając teoretyczną linie krawędzi wykopu przy
założeniu nachylenia skarpy 1:1 licząc od ściany budynku i powiększoną o 0,5 m. Dla
budynków niepodpiwniczonych przyjmuje się głębokość fundamentów zamiast głębokości wykopu [3, 15].
Urządzenia do infiltracji wód deszczowych ze względu na możliwość ich technicznej realizacji można podzielić na cztery podstawowe grupy [1, 3, 4, 14, 15, 16].
Pierwszą grupę stanowią powierzchniowe urządzenia infiltracyjne bez retencji, gdzie
wsiąkanie wód deszczowych odbywa się przez przepuszczalną powierzchnię gruntu
(może być ona umocniona, porośnięta lub perforowana), zaś opad pochodzi bezpośrednio z atmosfery i nie jest gromadzony. Przykładami urządzeń tego rodzaju są:
364
M. NOWAKOWSKA, B. KAŹMIERCZAK
- aleje parkowe,
- boiska sportowe,
- place,
- powierzchnie podwórzy,
- drogi awaryjne i drogi osiedli mieszkaniowych.
Nawierzchnia tych terenów może być w postaci powierzchni bez zieleni, o podłożu
mineralnym, z asfaltem drenującym czy z przepuszczalnym układem kostki brukowej,
lub też z zielenią jak ażurowe kraty trawnikowe czy trawniki.
Drugą grupę tworzą powierzchniowe urządzenia infiltracyjne z możliwością retencji wody deszczowej na powierzchni terenu. Wyróżniamy tu:
- rowy chłonne, w których powinno być zapewnione równomierne rozprowadzenie
wódy opadowych.
- niecki chłonne – infiltracja przebiega na otwartej, zazielenionej powierzchni,
na której woda może być czasowo gromadzona. Niecki powinny być tak ukształtowane, aby gwarantowały równomierny rozdział wody przeznaczonej do wsiąkania.
- zbiorniki chłonne – różnią się od poprzednich większą głębokością piętrzenia
wody oraz uzbrojeniem technicznym.
Kolejna grupa to podziemne urządzenia infiltracyjne z możliwością gromadzenia
i wsiąkania wody pod ziemią. Ich zastosowanie uwarunkowane jest często brakiem
wystarczająco dużych powierzchni terenu a magazynowanie i wsiąkanie wody odbywa się w studniach, drenach lub sączkach. Wsiąkanie przez dreny i sączki stosuje się
głównie tam, gdzie przecinane są słabo przepuszczalne warstwy gruntu, aby osiągnąć
niżej położoną warstwę o dobrej przepuszczalności. Do tego typu urządzeń zaliczane
są:
- studnie chłonne, skrzynie i komory rozsączające, w których woda deszczowa
przepuszczana jest przez ściany i dno urządzenia, co pozwala na gromadzenie
wody opadowej i powolne jej wsiąkanie w podłoże,
- podziemne sączki (tzw. rigole) – to rowy wypełnione zasypką żwirową, do których woda deszczowa doprowadzana jest z terenu,
- rury drenarskie – w tym przypadku następuje podziemne doprowadzenie wody do
ciągu perforowanych rur, które ułożone są w obsypce żwirowej, a następnie jej
wsiąkanie.
Ostatnią grupę stanowią zespolone urządzenia infiltracyjne. Najczęściej stosowaną
kombinacją jest łączenie urządzeń infiltracji podziemnej z urządzeniami
do retencjonowania i podczyszczania wód deszczowych (rys. 2).
O zagospodarowaniu i infiltracji wód opadowych
365
Rys. 2. Zespolone urządzenie infiltracyjne dla luźnej zabudowy terenu [18]
1) studzienka retencyjna, 2) skrzynia rozsączająca, 3) wywietrznik
5. EKSPLOATACJA URZĄDZEŃ DO INFILTRACJI WÓD OPADOWYCH
Konieczność prowadzenia prac konserwacyjnych urządzeń do infiltracji wód opadowych zależy od zastosowanego rozwiązania konstrukcyjnego. W pierwszych latach
eksploatacji kontrole powinny być przeprowadzane częściej.
Tabela 2. Zabiegi pielęgnacyjne przy prawidłowej eksploatacji systemów
do podczyszczania wód opadowych [1]
Rodzaj systemu
Rowy trawiaste
Przepuszczalne
powierzchnie
np. ażurowa
krata
Rowy
infiltracyjne
Zbiorniki
infiltracyjne
Rodzaj czynności konserwacyjnych
– usuwanie zanieczyszczeń z powierzchni chłonnych
– koszenie roślinności trawiastej
– wymiana zakolmatowanej warstwy filtracyjnej gleby
– bieżące naprawy uszkodzeń powierzchni darniowych
– usuwanie zanieczyszczeń z powierzchni chłonnych
– oczyszczanie wodą pod ciśnieniem w celu usunięcia zakolmatowanej
powierzchni
– uzupełnianie wypłukanego materiału
– unikanie odśnieżania powierzchni za pomocą popiołu lub soli
– usuwanie zanieczyszczeń z powierzchni chłonnych
– sprawdzanie ilości naniesionego osadu
– wymiana zakolmatowanej warstwy filtracyjnej
– sprawdzanie stopnia zakolmatowania geowłókniny
– usuwanie zanieczyszczeń z powierzchni chłonnych
– koszenie roślinności trawiastej
– sprawdzanie ilości naniesionego osadu, stopnia zakolmatowania
wlotów i wylotów systemu
– wymiana zakolmatowanej warstwy gruntu
– sprawdzanie zmian prędkości wsiąkania wraz z upływem czasu
– naprawa uszkodzeń erozyjnych skarp i dna
366
M. NOWAKOWSKA, B. KAŹMIERCZAK
Celowe jest wykonywanie obserwacji szybkości wsiąkania wody do gruntu po
większych opadach deszczu. Obserwacje te pozwalają oszacować intensywność zachodzenia zjawiska kolmatacji. Zabiegi konserwatorskie mają na celu zapobieganie
wystąpienia niepożądanych zjawisk, jak pojawienia się plagi komarów, rozwoju procesów gnilnych w wytrąconych na dnie zbiorników osadów czy niekontrolowany
rozwój roślinności. Koszty zabiegów konserwatorskich są niższe niż naprawy i remonty urządzeń do infiltracji konieczne do wykonania w przypadku zaniechania prac
konserwacyjnych [1, 2]. Zabiegi pielęgnacyjne niezbędne do prawidłowej eksploatacji
systemów do podczyszczania wód opadowych, w zależności od rodzaju systemu,
przedstawiono w tabeli 2.
6. WNIOSKI
Odprowadzanie wód opadowych jest obecnie bardzo często dyskutowanym zagadnieniem. Tradycyjny sposób odprowadzania wszystkich zgromadzonych na powierzchniach uszczelnionych wód opadowych poprzez systemy kanalizacyjne do naturalnych odbiorników może przysparzać pewne problemy. Mianowicie stale
postępująca urbanizacja terenów miejskich, a przede wszystkim uszczelnianie powierzchni, zwiększa strumień odpływu wód opadowych, powodując tym samym przeciążenie hydrauliczne istniejących sieci kanalizacyjnych. Rozwiązaniem problemu
może być zastosowanie urządzeń chłonnych, odprowadzających część wód opadowych do gruntu. Podejście takie ograniczy spływ wód deszczowych do kanalizacji
i uchroni ją przed przeciążeniami hydraulicznymi i wydaniami. Należy podkreślić, że
dodatkowym atutem stosowania urządzeń chłonnych są korzyści związane ze zwiększeniem zasobów wód gruntowych, a także lokalne przywrócenie naturalnego obiegu
wody w przyrodzie, charakteryzującego się równowagą pomiędzy zjawiskami opadu
a procesami spływu, infiltracji i transpiracji wody opadowej.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
BURSZTA-ADAMIAK E., ŁOMOTOWSKI J.: Odprowadzanie wód opadowych na terenach o
rozproszonej zabudowie. Wyd. Polska Akademia Nauk. INFRASTRUKTURA I EKOLOGIA
TERENÓW WIEJSKICH, Nr 3/1/2006.
BURSZTA-ADAMIAK E., ŁOMOTOWSKI J., STODOLAK R.: Analiza zanieczyszczeń w opadach atmosferycznych. Seria: Badania Systemowe. Wspomaganie informatyczne rozwoju społeczno-gospodarczego i ochrony środowiska., tom 36, Warszawa 2004, s. 281–289.
EDEL R.: Odwadnianie dróg. Wyd. Komunikacji i Łączności, Warszawa 2002.
GEIGER W., DREISEITL H.: Nowe sposoby odprowadzania wód deszczowych. Wyd. ProjprzemEKO, 1999.
O zagospodarowaniu i infiltracji wód opadowych
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
367
KOTOWSKI A.: Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnień terenów. Wyd. SeidelPrzywecki, Warszawa 2011.
KOTOWSKI A.: Zasady modelowania opadów na potrzeby wymiarowania odwodnień terenów.
Wody opadowe a zjawiska ekstremalne. Monografia pod red. J. Łomotowskiego. Wyd. SeidelPrzywecki, Warszawa 2011. s. 163-171.
KOTOWSKI A., KAŹMIERCZAK B.: Analiza opadów deszczowych we Wrocławiu jako podstawa
do projektowania systemów i obiektów kanalizacyjnych. Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska
Politechniki Wrocławskiej. Raport serii SPR nr 27/2011.
Kotowski A., KAŹMIERCZAK B., DANCEWICZ A.: Modelowanie opadów do wymiarowania
kanalizacji. Wyd. Polska Akademia Nauk. Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej. Instytut Podstawowych Problemów Techniki. Studia z zakresu inżynierii nr 68, Warszawa 2010.
KOTOWSKI A., KAŹMIERCZAK B., WÓJTOWICZ P., NOWAKOWSKA M.: Modelowanie
opadów deszczowych do symulacji działania systemów odwodnieniowych terenów zurbanizowanych. Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej. Raport serii SPR nr
26/2011.
LAMBOR J.: Obliczenie prawdopodobieństwa pojawiania się deszczów nawalnych w Polsce.
Gospodarka Wodna 1953, nr 12, s. 456-457.
LEGRET M., COLADINIi V., LE MARC C.: Effects of a porous pavement with reservoir structure
on the quality of runoff water and soil. The Science of the Total Environment, No. 189/190, 1996,
s. 335–340.
LICZNAR P., ŁOMOTOWSKI J., ROJEK M.: Pomiary i przetwarzanie danych opadowych dla
potrzeb projektowania i eksploatacji systemów odwodnieniowych. Monografia. Wyd. FUTURA,
Poznań 2005.
POCIASK-KARTECZKA J. i inni: Zlewnia: właściwości i procesy. Wyd. Uniwersytetu Jagielońskiego, Kraków 2006.
SAWICKA-SIARKIEWICZ H., BŁASZCZYK P.: Urządzenia kanalizacyjne na terenach zurbanizowanych: wymagania techniczne i ekologiczne. Instytut Ochrony Środowiska, Warszawa 2007.
SŁYŚ D.: Retencja i infiltracja wód deszczowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej,
Rzeszów 2008.
ZAWILSKI M., SAKSON G.: Systemy wykorzystania wody deszczowej i ich wpływ na funkcjonowanie kanalizacji miejskiej. GWiTS, nr 9, 2004, s. 298–302.
http://lincoln.ne.gov.
http://www.pwik-hajnowka.pl/oczyszczalnia/oczysz_teoria/zagosp_wod_deszczowych.htm.
THE MANAGEMENT AND INFILTRATION OF RAINWATER
In the recent years we have seen an increase of atmospheric precipitation intensity and increasing
the number of rainy days during the summer months. Rainfall intense often caused overflow
of the drainage system and local floods. Progressive process of urbanization increase the sealing
of surface areas such as roofs, roads and parking areas. The way to solve the problem of large surface
runoff of rainwater is to increase infiltration of water into the ground. This article outlines the problem
of rainwater management and the ways to increase their infiltration into the soil.