modelowanie hydrodynamiczne kanalizacji deszczowej na ... · wzdłuż ul. na niskich Łąkach do...

GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA ■ MARZEC 2013 113

[3] Jaszczyński J., Sapek A., Chrzanowska S. 2006.Wskaźniki chemiczne wody do picia z ujęć własnych w gospodarstwach wiejskich w otulinie Bie-brzańskiego Parku narodowego., Woda Środowisko Obszary Wiejskie. t. 6. z. 2(18): 129–142.

[4] Jekatierynczuk-Rudczyk E., Miakisz B., Górniak A. 2009. Zawartość związków azotu w wodzie na Wzgórzach Sokólskich. Woda Środowisko obszary Wiejskie, t. 9 z. 2 (26): 59–71.

[5] Kopacz M., Twardy M. 2009. Azotany w wodach gruntowych dorzecza Górnej Wisły – próba oceny ich stężenia w świetle wytycznych dyrektywy azotanowej. Woda-Środowisko-Obszary wiejskie, t. 9, z. 4(28). 87–101.

[6] Labijak H., Pańczakowa J. 1990. Stan sanitarny i techniczny oraz funk-cjonowanie lokalnych ujęć wodnych na terenach wiejskich województwa poznańskiego. Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej. nr 32: 99–109.

[7] Misztal A., Sapek A. 1997. Jakość wody w studniach zagrodowych i cha-rakterystyka rolniczo-socjologiczna gospodarstw w wybranych zlewniach Zbiornika Dobczyckiego, Zesz. EdukacyjneWydawcaIMUZ. nr. 7: 83–99.

[8] OstrowskA B., Płodzik M., Sapek A., Wesołowski P., Smoroń S. 1999.Ja-kość wody pitnej z ujęć w gospodarstwach rolnych. Wiadomości IMUZ t. 20 z.: 7–18.

[9] Pietrzak S. 1997. Postępowanie z nawozami organicznymi pochodzenia zwierzęcego w aspekcie ochrony jakości wody. Wydawca IMUZ. Zeszyty Edukacyjne nr 2. 31–44.

[10] Raczuk J., Biardzka E., Michalczyk M. 2009. Związki azotu w wodzie studziennej w świetle ryzyka zdrowotnego mieszkańców gminy Wodynie (woj. Mazowieckie), Woda-Środowisko Obszary Wiejskie, t. 9 z. 1(25): 87–97.

[11] Sapek B. 2002. Jakość gleby i wody w gospodarstwach demonstracyjnych. Warszawa: IMUZ. Zeszyty Edukacyjne. Rolnictwo polskie i ochrona jako-ści wody.s. 57–71.

[12] Sapek B., Sapek A. 2006. Nagromadzenie składników nawozowych w gle-bie i wodzie gruntowej z zagrody i jej otoczenia w gospodarstwach de-monstracyjnych w dwóch gminach województwa kujawsko-pomorskiego. Wiadomości melioracyjne i łąkarskie. Numer 3/2006: 137–141.

[13] Sosulski T., Łabętowicz J. 2007. Oszacowanie rozpraszania azotu z rolni-ctwa polskiego do atmosfery oraz wód powierzchniowych i gruntowych, Postępy Nauk Rolniczych 5: 3–19.

[14] Sikorski M., 1998. Gospodarka ściekami bytowymi na wsi jako czynnik ochrony środowiska, Rozpr. Habil. Falenty, Wydawca IMUZ. Rozporzą-dzenie Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 roku (Dz.U. 2007 nr 61 poz. 417).

[15] Raport, stan środowiska w Polsce w latach 1996–2001, Inspekcja Ochrony środowiska, s. 269.

[16] Raczuk J. Biardzka E. Michalczyk M. 2009.Związki azotu w wodzie stu-dziennej w świetle ryzyka zdrowotnego mieszkańców gminy Wodynie (woj. mazowieckie), Woda-Środowisko-Obszary wiejskie, t. 9 z 1 (25): 87–97. Ochrona Środowiska 2010, Główny Urząd Statystyczny, Warsza-wa 2010.

[17] Rauba M. 2009.Zawartość związków azotu i fosforu w wodach gruntowych zlewni użytkowanej rolniczo na przykładzie rzeki Śliny, Ochrona środowi-ska i Zasobów Naturalnych nr 40: 505–512.

[18] Urząd Miasta i Gminy we Wleniu 2010 www.wlen.pl/bip (21.07.2010)[19] Wytyczne WHO 1998. dotyczące jakości wody do picia. Warszawa, PZiTS[20] Wojciechowski J. Jakość wody w studniach kopanych, http://www.techno-

logia-wody.pl (dostęp 17.01.2013).[21] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r w spra-

wie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie Dz. U nr 75 poz. 690.

Modelowanie hydrodynamiczne kanalizacji deszczowej na osiedlu Rakowiec we WrocławiuHydrodynamic modeling of storm water drainage on the Rakowiec district In Wrocław

Andrzej Kotowski, Bartosz Kaźmierczak, Andrzej Wartalski, Witold Cieślik*)

Keywords: storm water, reservoirs

AbstractIt was carried out the verification of the hydraulic capacity of storm water drainage network in Rakowiec district in Wroclaw. As a result of the simulation it was found that the sewer does not meet the requirements of European standard EN 752. It was pro-posed the modernization of the present sewerage system through the construction of three reservoirs near the critical points of ne-tworks of estimated retention volumes.

Słowa kluczowe: kanalizacja deszczowa, zbiorniki retencyjne, modelowanie

StreszczeniePrzeprowadzono weryfikację przepustowości hydraulicznej ka-nalizacji deszczowej na Osiedlu Rakowiec we Wrocławiu. W wy-niku symulacji hydrodynamicznych programem SWMM 5.0 st-wierdzono, że kanalizacja ta nie spełnia wymagań normy PN-EN 752:2008 odnośnie częstości wylewów z kanałów. Zapropono-wano jej modernizację poprzez budowę trzech zbiorników reten-cyjnych, w pobliżu stwierdzonych punktów krytycznych sieci.

*) Prof. dr hab. inż. Andrzej Kotowski, dr inż. Bartosz Kaźmierczak, dr inż. Andrzej Wartalski – Zakład Naukowy Usuwania Ścieków, Insty-tut Inżynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej, pl. Grun-waldzki 9, 50-370 Wrocław, e-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected];mgr inż. Witold Cieślik – absolwent Wydziału Inżynierii Środowiska

1. Wstęp

Projektowanie systemów odwodnień terenów w Polsce napo-tyka na poważne trudności, które wynikają głównie z braku wia-rygodnego modelu opadów deszczu [5, 6, 10, 11, 14, 27]. Naj-

częściej stosowany wzór Błaszczyka z 1954 r. zaniża bowiem wyniki obliczanych natężeń deszczy, co wykazano na przykładzie opadów zmierzonych we Wrocławiu z okresu 1960–2009 [13]. Ma to negatywne skutki przy projektowaniu odwodnień terenów w Polsce, według zaleceń ujętych w najnowszej normie PN-EN 752:2008, w odniesieniu do dopuszczalnych częstości wylewów z kanalizacji.

Bezpieczne wymiarowanie systemów kanalizacyjnych ma na celu zapewnienie odpowiedniego standardu odwodnienia tere-nu, który definiuje się jako przystosowanie systemu do przyjęcia prognozowanych strumieni wód opadowych z częstością równą dopuszczalnej częstości wystąpienia ich wylania na powierzchnię terenu. Norma PN-EN 752 ogranicza częstość wylewów z kanali-

114 GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA ■ MARZEC 2013

zacji do rzadkich powtarzalności ich występowania. Przykładowo, w przypadku terenów mieszkaniowych: raz na 20 lat [20].

W nowoprojektowanych, modernizowanych bądź rozbudowy-wanych systemach kanalizacyjnych zaleca się obecnie weryfikację częstości wylewów z kanalizacji na drodze modelowania hydro-dynamicznego, przy różnych scenariuszach obciążenia opadami. Scenariuszami tymi mogą być rzeczywiste, zmierzone serie inten-sywnych opadów lokalnych w wieloleciu, które są na ogół trudno-dostępne [11], bądź częściej opady modelowe np. Eulera typu II [2, 22, 23, 24], czy też ostatnio proponowane opady syntetyczne gene-rowane losowo [15]. Modele hydrodynamiczne do opisu działania systemów kanalizacyjnych umożliwiają uwzględnienie zmiennych w czasie i przestrzeni rzeczywistych spływów wód opadowych, a także zmiennego i nieustalonego przepływu ścieków w kanałach oraz obiektach kanalizacyjnych [1, 8, 9, 16, 17, 21, 26].

W artykule wykazano potrzebę modernizacji kanalizacji desz-czowej na osiedlu mieszkaniowym Rakowiec we Wrocławiu. Mianowicie, w wyniku przeprowadzonych symulacji hydrodyna-micznych programem SWMM 5.0 stwierdzono, że nie spełnia ona wymagań normy PN-EN 752 odnośnie dopuszczalnej częstości wylewów z kanałów. Jako obciążenie zlewni zastosowano opady modelowe Eulera typu II, o zmiennych częstościach występowania i czasach trwania w warunkach hydrologicznych miasta Wrocławia, opracowane na podstawie modeli opadów maksymalnych [9, 12]. Zaproponowano budowę trzech zbiorników retencyjnych, w pobli-żu stwierdzonych punktów krytycznych sieci.

2. Opis zlewni deszczowej osiedla Rakowiec

Osiedle Rakowiec położone jest w centralnej części miasta Wrocławia, na wschód od dzielnicy Stare Miasto. Od północnego-wschodu graniczy z terenem rozlewiskowym Odry, oddzielonym wałem powodziowym. Od zachodu i południa graniczy z rzeką Oławą, w kierunku której występuje spadek powierzchni terenu. Osiedle położone jest na rzędnych 117÷120 m n.p.m. i zajmuje powierzchnię około 40 ha. W obrębie osiedla regularnie, do kilku razy w roku, obserwowane jest zjawisko zastoju wód opadowych na jezdni w ulicach Na Niskich Łąkach oraz Rakowieckiej [3].

Zagospodarowanie przestrzenne terenu osiedla Rakowiec przed-stawiono na rysunku 1. W zachodniej części osiedla znajduje się boisko sportowe KKS Polonia oraz ogrody działkowe, które poło-

żone są w zagłębieniu terenowym. We wschodniej części osiedla występuje pasmowa zabudowa mieszkaniowa, złożona z domów jednorodzinnych oraz budynków Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN oraz hurtowni farmaceutycznej. W po-łudniowej i wschodniej części osiedla znajdują się także ogrody działkowe, które od wschodu graniczą z rowem melioracyjnym, w kierunku którego występuje również spadek powierzchni terenu.

W artykule analizowano działanie kanalizacji deszczowej w uli-cach Na Niskich Łąkach, Rakowieckiej i Okólnej, zbudowanej z rur betonowych o średnicach K0,3, K0,5 i K0,6 m o łącznej długości 1809 m. Dla celów opisowych wyróżniono kolektor oraz dwa kana-ły boczne (rys. 2). Kolektor deszczowy KD1 ma długość całkowitą 1305 m. Rozpoczyna się w węźle obliczeniowym W63 i przebiega wzdłuż ul. Na Niskich Łąkach do węzła W26, następnie wzdłuż ul. Rakowieckiej do W11 w rejonie skrzyżowania z ul. Okólną i dalej od W11 do W1 pod wałem i terenem rozlewiskowym do Odry. Kanał boczny KD1.1 ma długość 170 m i przebiega wzdłuż ulicy Na Niskich Łąkach od węzła W34 do W26. Kanał boczny KD1.2 o długości 334 m, przebiega wzdłuż ulicy Rakowieckiej od węzła W46 do W26.

Rys. 1. Zagospodarowanie przestrzenne terenu osiedla Rakowiec we Wrocławiu

Rys. 2. Schemat hydrologiczny kanalizacji deszczowej osiedla Rakowiec

Do opracowania modelu hydraulicznego przedmiotowej kanalizacji wykorzystano mapy infrastruktury podziemnej obszaru Wrocław-Ra-kowiec oraz dokonano kilku wizji lokalnych terenu. Zebrane materia-ły pozwoliły na określenie granic zlewni deszczowej, mającej wpływ na formowanie się spływu powierzchniowego do badanej kanalizacji deszczowej. Powierzchnia zlewni deszczowej wynosi 10,1 ha, co sta-nowi czwartą część całkowitej powierzchni osiedla Rakowiec.

3. Ustawienia programu SWMM

Aby uniknąć błędnych wyników symulacji hydrodynamicznych wymagany jest zwykle znaczny nakład pracy na przygotowanie da-nych wejściowych. W przypadku analizowanej, małej zlewni desz-czowej przyjęto stopień integracji na poziomie „0” [28]. Poziom taki oznacza odwzorowanie wszystkich średnic kanałów oraz podział zlewni na podzlewnie cząstkowe z maksymalną możliwą dokładnoś-cią, w tym z wydzieleniem powierzchni utwardzonych i nieutwar-dzonych, przepuszczalnych w różnym stopniu. Zlewnię deszczową osiedla podzielono na 37 podzlewni cząstkowych (rys. 2) i przypi-


sano kanałom rzeczywiste parametry długości, spadków i średnic oraz rzędnych dna w studzienkach. Do powierzchni utwardzonych przypisano jezdnie asfaltowe, bruki kamienne i klinkierowe (około 40% powierzchni) oraz dachy (20%). Natomiast do powierzchni nie-utwardzonych przypisano ogrody, zieleńce i trawniki (40%). Zredu-kowana – szczelna powierzchnia zlewni wynosi około 6,0 ha.

Model hydrodynamiczny kanalizacji deszczowej osiedla Rako-wiec rozpoczęto od budowy grafu obliczeniowego sieci w oparciu o dane inwentaryzacyjne kanałów oraz ustalone parametry podz-lewni cząstkowych. Z uwagi na fakt, że wszystkie kanały są be-tonowe, przyjęto współczynnik szorstkości Manninga na poziomie n = 0,013 s/m1/3 [4, 11].

Strumień dopływających ze zlewni ścieków opadowych do wę-zła sieci obliczany jest w programie SWMM z zastosowaniem mo-delu zbiornika nieliniowego [9, 11]:

(1)

gdzie: Qm – miarodajny strumień objętości odpływu, m3/s, W – szerokość hydrauliczna zlewni, m, h – wysokość opadu, m, hp – wysokość retencji powierzchniowej, m, np – zastępczy współczynnik szorstkości powierzchni zlewni,

s/m1/3, ip – średni spadek powierzchni zlewni,%.

Wymaga to przypisania poszczególnym podzlewniom cząstko-wym, o powierzchniach Fi ∈ [0,014; 1,96] ha, wartości parametrów: W ∈ [4; 66] m oraz ip ∈ [0,1; 0,8]%, a także ustalenia wartości hp ∈ {1,5; 3,0} mm i np ∈ {0,015; 0,020} s/m1/3 dla powierzchni utwar-dzonych (w zależności od stanu technicznego) oraz hp = 6,0 mm i np = 0,30 s/m1/3 dla powierzchni nieutwardzonych, na podstawie literatury [7, 9, 11, 17, 18, 19, 25].

Kolejnymi parametrami jakie wprowadzono do modelu hydrody-namicznego SWMM są dane o infiltracji dla powierzchni nieuszczel-nionych. Wykorzystano tutaj dynamiczny model Hortona. Model ten opisuje infiltrację wody w profilu glebowym przy pomocy równania:

(2)gdzie:

f (t) – intensywność infiltracji, mm/h,t – czas, h,f0 – początkowa intensywność infiltracji, mm/h,fc – końcowa intensywność infiltracji, mm/h,k – stała recesji, h-1.Dla powierzchni nieutwardzonych przedmiotowej zlewni przy-

jęto początkową intensywność infiltracji f0 = 75 mm/h, końcową fc = 10 mm/h oraz stałą recesji k = 4 h-1. Założono, że całkowity czas schnięcia w pełni nasyconej ziemi wynosić będzie 7 dni.

4. Badania symulacyjne działania kanalizacji

W pierwszym etapie badań, do weryfikacji występowania nad-piętrzeń do powierzchni terenu i wylewów z kanałów zastosowano opady modelowe Eulera typu II o częstości występowania C = 3 lata i o czasie trwania dwukrotnie przewyższającym czas przepływu w sieci – zgodnie z wytyczną ATV-A118 [2]. Do ich utworzenia wykorzystano model probabilistyczny na maksymalną wysokość opadów (hmax w mm) we Wrocławiu, oparty na kwantylu rozkładu prawdopodobieństwa Fishera-Tippetta typu IIImin [11, 12, 13]:

(3)

gdzie:t – czas trwania opadu deszczu: t ∈ [5; 4320] minut,

( ) 2/13/5

pp

pm in

hhWQ

−=

( ) 2/13/5

pp

pm in

hhWQ

−=

( ) ktcc effftf −−+= 0)( ( ) ktcc effftf −−+= 0)(

( )( ) 809,00222,0242,0max ln 675,98105,97412,7583,4 ptth −−++−= ( )( ) 809,00222,0242,0max ln 675,98105,97412,7583,4 ptth −−++−=

p – prawdopodobieństwo przewyższenia opadu: p ∈ [1; 0,01], czyli częstość występowania 1/p = C ∈ [1; 100] lat.

Na podstawie wstępnych symulacji wyznaczono średnią pręd-kość przepływu ścieków deszczowych w kolektorze przy całkowi-tym wypełnieniu kanałów na poziomie 0,7 m/s. Stosunkowo mała prędkość przepływu wynika z małych, a w części kanałów mniej-szych od minimalnych zalecanych (obliczanych z formuły 1/D) spadków dna [3, 9]. Czas przepływu ścieków w kolektorze osza-cowano na poziomie tp = 30 min. Następnie opracowano, na pod-stawie wzoru (3), opad modelowy Eulera typu II o czasie trwania t = 2tp = 60 min (rys. 3).

Rys. 3. Opad modelowy Eulera typu II o częstości występowania C = 3 lata i czasie trwania t = 60 min dla Wrocławia

Rys. 4. Profil kolektora KD1 w 20. minucie trwania opadu modelowego o C = 3 lata i t = 60 min

Opad modelowy w warunkach wrocławskich dla t = 60 min i C = 3 lata (p = 0,33) charakteryzuje się maksymalną intensyw-nością 101,7 mm/h, występującą pomiędzy 15-tą a 20-tą minutą. Wysokości opadu wynosi 23,7 mm.

W celu weryfikacji przepustowości hydraulicznej przedmioto-wej kanalizacji obciążono zlewnię deszczową opracowanym opa-dem modelowym. Profil kolektora KD1 wraz z wypełnieniami w 20. minucie trwania opadu, w której wystąpiły największe strumienie przepływów i nadpiętrzenia w kolektorze, przedstawiono na rys. 4.

Jak wynika z rys. 4, w prezentowanej chwili czasowej symula-cji, praktycznie na całej długości kolektora KD1 przepływ ścieków odbywa się pod ciśnieniem, za wyjątkiem trzech początkowych i dwóch końcowych odcinków. Występują licznie miejsca krytycz-ne, w których poziom ścieków deszczowych osiąga poziom terenu, zwłaszcza w rejonach węzłów obliczeniowych W50 i W57. W przy-padku kanałów bocznych, przedstawionych na rys.: 5 – kanał KD1.1 oraz 6 – kanał KD1.2, w 20. minucie trwania opadu modelowego, przepływ ciśnieniowy z licznymi nadpiętrzeniami do powierzchni terenu występuje już na całej długości tych kanałów.


Sumaryczna objętość ścieków, które podczas trwania opadu mode-lowego wylały się z sieci wynosi 450 m3, przy czym jako wylanie trak-towano wypływ o objętości większej niż 1,0 m3 i trwający dłużej od 0,01 h. Największe symulowane wylania wystąpiły w węzłach: W37 i W42 na KD1.2 oraz W50 i W57 na KD1. Łącznie, wylania zanotowano w 18 węzłach (tab. 1).

Tabela 1Miejsca, czasy trwania i objętości wylewów z kanalizacji dla

opadu modelowego o C = 3 lata i t = 60 min

Lp. Węzełobliczeniowy

Czas trwaniawylewów, h

Objętośćwylewów, m3

1 W21 0,07 52 W23 0,08 23 W24 0,08 24 W29 0,10 85 W30 0,07 26 W31 0,11 77 W33 0,06 28 W34 0,02 29 W36 0,10 710 W37 0,90 17811 W38 0,17 212 W42 0,84 10013 W43 0,11 514 W44 0,04 215 W45 0,02 216 W50 0,22 4817 W54 0,10 1118 W57 0,46 65

Suma objętości wylewów: 450

Analizowany system kanalizacji deszczowej nie spełnia za-tem wymagań normy PN-EN 752. Postawiono tezę, że nadpię-trzenia do poziomu terenu występować będą tutaj statystycznie częściej niż raz na 3 lata, co w konsekwencji może prowadzić do wylewów znacznie częściej niż raz na 20 lat. Przyczyn takiego stanu rzeczy należy upatrywać zarówno w zbyt małych średni-cach i spadkach kanałów, ale także w niekorzystnym ukształto-waniu terenu – niecki w węzłach W37 i W57. W celu określenia statystycznej częstości występowania nadpiętrzeń i wylewów w omawianej kanalizacji, obciążono zlewnię opadem modelo-wym Eulera o częstości występowania C = 1 rok i czasie trwa-nia t = 60 min. Opracowany opad modelowy charakteryzuje się maksymalną intensywnością 76,3 mm/h występującą pomiędzy 15-tą a 20-tą minutą.

Rys. 6. Profil kanału bocznego KD1.2 w 20. minucie trwania opadu modelo-wego o C = 3 lata i t = 60 min

Rys. 5. Profil kanału bocznego KD1.1 w 20. minucie trwania opadu modelo-wego o C = 3 lata i t = 60 min

Rys. 7. Profil kolektora KD1 w 22. minucie trwania opadu modelowego o C = 1 rok i t = 60 min

Na rys. 7 przedstawiono profil kolektora KD1 w 22. minu-cie czasu trwania opadu modelowego Eulera typu II o C = 1 rok i t = 60 min. Pomimo znacznego obniżenia maksymalnej intensyw-ności opadu ze 101,7 mm/h do 76,3 mm/h (w porównaniu z C = 3 lata dla t = 60 min) kolektor w dalszym ciągu działa pod ciśnieniem na znacznej swej długości. Nadpiętrzenia względem sklepień kana-łów w środkowej części kolektora KD1 przekraczają metr wysoko-ści. Występują w dalszym ciągu nadpiętrzenia do poziomu terenu i wylewy, zestawione dla kolektora i kanałów bocznych w tabeli 2. Podobnie jak w przypadku opadu modelowego o częstości występo-wania C = 3 lata, największa objętość wylewów występuje w węźle obliczeniowym W37 na KD1.2 oraz już znacznie mniejsza w W57 na KD1. Sumaryczna objętość ścieków, które podczas trwania opadu modelowego o C = 1 rok i t = 60 min wylały się z sieci wynosi 138 m3. Łącznie wylania zanotowano już tylko w 6 węzłach.


opadu modelowego o C = 1 rok i t = 60 min




1 W34 0,02 2

2 W37 0,73 95

3 W42 0,49 14

4 W43 0,04 2

5 W50 0,10 11

6 W57 0,14 14


Z przeprowadzonej analizy działania kanalizacji dla C = 1 rok wynika, że nadpiętrzenia i wylewy mogą występować znacznie częściej – kilka razy w roku, co potwierdzają obserwacje miesz-


kańców osiedla. Należy więc zbadać działanie sieci dla deszczy zdarzających się częściej niż raz w roku. Opracowany dla Wrocła-wia probabilistyczny model opadów maksymalnych (3) obejmuje swym zakresem stosowalności deszcze o częstości występowania od C = 1 rok do C = 100 lat [12]. Nie nadaje się zatem do wy-znaczenia wysokości opadu o powtarzalności rzędu kilka razy w roku. W monografii [9] opracowano taki model opadów dla warunków wrocławskich. Do tego celu wykorzystano archiwalny materiał pluwiograficzny z 50-ciu (1960–2009) lat ciągłych ob-serwacji na stacji IMGW Wrocław-Strachowice. Wzór fizykalny na maksymalną wysokość opadów (hmax w mm) dla zakresu C < 1 ma postać:

(4)

gdzie:t – czas trwania opadu deszczu: t ∈ [5; 120] minut,C – częstość występowania opadu z przewyższeniem: C ∈ [0,1; 0,5] lat.Na tej podstawie obliczono przedziałowe (5-cio minutowe) in-

tensywności opadów modelowych Eulera typu II o czasie trwania t = 60 min dla C < 1. W pierwszej kolejności, zlewnię deszczową obciążono opadem modelowym o czasie trwania t = 60 min zda-rzającym się dwa razy w roku, tj. o C = 0,5 roku. Na rysunku 8 przedstawiono profil kolektora w 25. minucie trwania opadu mo-delowego.

Ctth ln))ln(430,100415,0()ln(824,30645,0max −++= Ctth ln))ln(430,100415,0()ln(824,30645,0max −++=

5. Propozycja modernizacji kanalizacji

W monografii [9] wykazano na modelowej zlewni o powierzchni 154 ha w płaskim terenie miasta Wrocławia, że wydłużanie czasu trwania (t) opadów modelowych Eulera typu II względem czasu przepływu (tp) w sieci, w zakresie od t = 2tp do t = 4tp, powoduje istotny wzrost objętości wylewów z kanałów. Dalsze wydłużenie tego czasu (t > 4tp) nie zmienia już praktycznie wyników symula-cji. Do modernizacji kanalizacji deszczowej na osiedlu Rakowiec – poprzez budowę zbiorników retencyjnych, zastosowano więc opady modelowe o czasie trwania czterokrotnie dłuższym od czasu przepływu ścieków deszczowych w kolektorze. Opady takie powo-dować będą największą objętość wylewów, którą należy zretencjo-nować w systemie.

Opad modelowy Eulera typu II w warunkach wrocławskich dla t = 4tp = 120 min i C = 3 lata charakteryzuje się maksymalną intensywnością 101,7 mm/h, występującą pomiędzy 35-tą a 40-tą minutą. Wysokość opadu wynosi wówczas 29,1 mm, co odpowiada średniej intensywności 14,5 mm/h. W wyniku symulacji stwierdzo-no, że sumaryczna objętość ścieków, które podczas trwania opadu modelowego wylały się z sieci wyniosła 537 m3. Największe wyla-nia wystąpiły w węzłach W37, W42, W50 i W57 (tab. 4).


opadu modelowego o C = 3 lata i t = 120 min




1 W20 0,07 3

2 W21 0,09 7

3 W23 0,09 3

4 W24 0,09 3

5 W28 0,10 2

6 W29 0,13 10

7 W30 0,13 3

8 W31 0,14 7

9 W36 0,13 9

10 W37 1,40 195

11 W38 0,26 4

12 W39 0,25 13

13 W42 1,05 119

14 W43 0,19 7

15 W50 0,27 64

16 W54 0,13 11

17 W57 0,41 77


W porównaniu do obciążenia opadem modelowym o t = 60 min i C = 3 lata i (tab. 1), nastąpił wzrost objętości wylewów o 20% – z 450 m3 do 537 m3. Objętość tę należy więc zretencjonować w zbiornikach, tak aby nie było żadnych wylewów w sieci.

W celu odciążenia hydraulicznego istniejącej kanalizacji desz-czowej na osiedlu Rakowiec zaproponowano zastosowanie ziem-nych zbiorników retencyjnych, zlokalizowanych w nieckach tere-nowych na terenach zielonych, w rejonach występowania dużych wylewów z kanałów. Obliczenie objętości czynnej takich zbiorni-ków metodami analitycznymi [11] nie ma tutaj zastosowania, ze względu niedostateczną przepustowość sieci, tj. zbyt małe średni-ce i spadki dna kanałów, co wykazano w pracy [9]. Wariantowano więc liczbę i lokalizację zbiorników, ze względu na wymaganą mi-

Rys. 8. Profil kolektora KD1 w 25. minucie trwania opadu modelowego o C = 0,5 roku i t = 60 min

W wyniku zmniejszenia intensywności deszczu modelowego nastąpiła wyraźna poprawa warunków hydraulicznych działania sieci. Jednak w węzłach W37 i W57 występują w dalszym ciągu wylania (tab. 3). Sumaryczna objętość ścieków, które wylały się z sieci zmniejszyła się do 39 m3. Dla C = 1 rok i t = 60 min wylania o objętości 138 m3 wystąpiły w 6 węzłach (tab. 2).


deszczu o C = 0,5 roku i t = 60 minut

Lp Węzełobliczeniowy



1 W37 0,38 35

5 W57 0,11 4


W przypadku częstości opadu modelowego C = 0,25 roku, tj. występującego 4 razy w roku, i czasie trwania opadu t = 60 min symulacje hydrodynamiczne wykazały już brak nadpiętrzeń do poziomu terenu we wszystkich węzłach obliczeniowych (stu-dzienkach).


nimalną objętość retencyjną przy kryterium braku wylewów w sie-ci. Ostatecznie zaproponowano zastosowanie trzech zbiorników, zlokalizowanych w pobliżu węzłów: W57 – zbiornik retencyjny ZR I na kolektorze KD1, W39 – ZR II na kanale bocznym KD1.2 i W25 – ZR III na KD1 (rys. 9).

W wyniku przeprowadzonych analiz symulacyjnych ustalo-no niezbędne objętości zbiorników na: V(I) = 90 m3, V(II) = 270 m3 i V(III) = 305 m3. Objętości takie zapewniają brak wylewów z ka-nalizacji podczas symulacji hydrodynamicznych, przy obciążeniu opadem modelowym Eulera typu II o częstości występowania C = 3 lata i czasie trwania t = 120 min w warunkach wrocławskich. Dla ilustracji, na rysunku 10 przedstawiono profil kolektora KD1 wraz z wypełnieniami w 40. minucie trwania opadu bez wylewów ze zmodernizowanego systemu kanalizacji deszczowej osiedla Ra-kowiec we Wrocławiu.

na znacznej długości tych kanałów, jednak również bez nadpię-trzeń do poziomu terenu.

Wyznaczone w pracy lokalizacje i objętości czynne zbiorni-ków – sumarycznie 665 m3 (w przeliczeniu około 110 m3 na hektar szczelnej powierzchni zlewni) gwarantują poprawne działanie sie-ci. Uzasadniono tym samym potrzebę modernizacji przedmiotowej kanalizacji w dostosowaniu do wymagań PN-EN 752:2008.

6. Podsumowanie i wnioski końcowe

Przeprowadzona w pracy weryfikacja sprawności hydraulicznej kanalizacji deszczowej na osiedlu Rakowiec we Wrocławiu wyka-zała, że sieć ta ma zbyt małą przepustowość, co wynika głównie ze zbyt małych średnic i spadków kanałów, przy obecności niecek terenowych. Powierzchnia zlewni deszczowej wynosząca 10,1 ha została podzielona na 37 podzlewni cząstkowych. Odwzorowano cztery rodzaje powierzchni zlewni i wszystkie średnice kanałów deszczowych – na poziomie „0” integracji zlewni. Jako obciążenie zlewni zastosowano opady modelowe Eulera typu II, o zmiennych częstościach występowania i czasach trwania, wyznaczone z wzo-rów dla Wrocławia.

W wyniku przeprowadzonych symulacji hydrodynamicznych programem SWMM 5.0 stwierdzono, że analizowana kanalizacja deszczowa nie spełnia rygorystycznych wymagań europejskiej nor-my PN-EN 752. Nadpiętrzenia do poziomu terenu występują staty-stycznie znacznie częściej niż raz na 3 lata, co w konsekwencji pro-wadzi do wylewów znacznie częściej niż raz na 20 lat. Mianowicie, w symulacjach wykazano liczne wylania dla częstości występowa-nia opadów modelowych C = 3 lata i czasach trwania 60 i 120 minut (objętości wylewów odpowiednio 450 i 537 m3), a nawet dla C = 1 rok oraz C = 0,5 lat (2 razy w roku).

Rys. 9. Lokalizacja zbiorników retencyjnych w zlewni deszczowej osiedla Rakowiec

Rys. 10. Profil kolektora KD1 w 40. minucie trwania opadu modelowego Eulera o C = 3 lata i t = 120 min

Rys. 11. Profil kanału bocznego KD1.1 w 40. minucie trwania opadu mode-lowego o C = 3 lata i t = 120 min

Rys. 12. Profil kanału bocznego KD1.2 w 40. minucie trwania opadu mode-lowego o C = 3 lata i t = 120 min

Jak wynika z rysunku 10, na znacznej długości kolektora przepływ ścieków odbywa się nadal pod ciśnieniem, jednak bez nadpiętrzeń powyżej poziomu terenu nie powodując wylewów. W przypadku kanałów bocznych, których profile podano na ry-sunkach 11 i 12 – odpowiednio kanał KD1.1 oraz KD1.2, w 40. minu-cie trwania opadu modelowego przepływ ciśnieniowy występuje


Zaproponowana modernizacja przedmiotowej kanalizacji, po-przez budowę trzech zbiorników retencyjnych w pobliżu stwier-dzonych punktów krytycznych sieci, o wyznaczonych w pracy niezbędnych objętościach retencyjnych (łącznie 665 m3), zapewni odpowiedni standard kanalizacyjny osiedla, wymagany normą PN-EN 752:2008.

Jednak osiągnięcie pewności braku wylewów z kanałów nie jest możliwe nawet w poprawnie zwymiarowanych systemach odwod-nieniowych i zweryfikowanych w modelowaniu hydrodynamicz-nym, ze względu na stochastyczny (losowy) charakter opadów deszczowych.

Pracę zrealizowano ze środków finansowych Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach działalności statutowej Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej.

PIŚMIENNICTWO [1] Akan A. O.: Urban Stormwater Hydrology: A Guide to Engineering Calcu-

lations. Technomic Publishing Co., Inc., Lancaster 1993. [2] Arbeitsblatt ATV-A118: Hydraulische Bemessung und Nachweis von Ent-

wässerungs-systemen. Gfa, Hennef 1999. [3] Cieślik W.: Analiza działania systemu kanalizacyjnego na osiedlu

mieszkaniowym m. Wrocławia. Praca dyplomowa magisterska. Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej, 2011.

[4] Dąbrowski W.: Oddziaływanie sieci kanalizacyjnych na środowisko. Mo-nografia. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 2004.

[5] Dziopak J., Hypiak J.: Analiza metodologii wymiarowania kanalizacji ogólnospławnej. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, seria Bu-downictwo i Inżynieria Środowiska 2011, z. 58 (nr 2), s. 21–34.

[6] Edel R.: Odwadnianie dróg. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, War-szawa 2006.

[7] James W.: A Guide to the Rain, Temperature and Runoff Modules of the USEPA SWMM4. CHI Publications, Guelph, Ontario 2000.

[8] Kaźmierczak B.: Badania symulacyjne działania przelewów burzowych i separatorów ścieków deszczowych w warunkach ruchu nieustalonego do wspomagania projektowania sieci odwodnieniowych. Praca doktorska. In-stytut Inżynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej, 2011.

[9] Kaźmierczak B., Kotowski A.: Weryfikacja przepustowości kanalizacji deszczowej w modelowaniu hydrodynamicznym. Monografia. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2012.

[10] Kotowski A.: O potrzebie dostosowania zasad wymiarowania kanalizacji w Polsce do wymagań normy PN-EN 752 i zaleceń Europejskiego Komi-tetu Normalizacji. Gaz, Woda i Technika Sanitarna 2006, nr 6, s. 20–26.

[11] Kotowski A.: Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnień terenów. Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa 2011.

[12] Kotowski A., Kaźmierczak B.: Probabilistyczne modele opadów miarodaj-nych do projektowania i weryfikacji częstości wylewów z kanalizacji we Wrocławiu. Gaz, Woda i Technika Sanitarna 2010, nr 6, s. 13–19.

[13] Kotowski A., Kaźmierczak B., Dancewicz A.: Modelowanie opadów do wymiarowania kanalizacji. Monografia. Wydawnictwo: Polska Akademia Nauk. Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej. Instytut Podstawowych Pro-blemów Techniki. Studia z Zakresu Inżynierii nr 68, Warszawa 2010.

[14] Kuliczkowski A., Jakubowski J.: Ocena porównawcza wybranych metod obliczania miarodajnych przepływów w kanalizacji deszczowej. Instal 2002, nr 11, s. 28–32.

[15] Licznar P.: Generatory syntetycznych szeregów opadowych do modelowa-nia sieci kanalizacji deszczowych i ogólnospławnych. Monografia. Wydaw-nictwo Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu, 2009.

[16] Łomotowski J. (red.): Wody opadowe a zjawiska ekstremalne. Monografia. Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa 2011.

[17] Mrowiec M.: Efektywne wymiarowanie i dynamiczna regulacja kanaliz-acyjnych zbiorników retencyjnych. Monografia. Wydawnictwo Politechni-ki Częstochowskiej, 2009.

[18] Nowogoński I., Wira J.: Kalibracja hydrauliczna modelu SWMM przy wy-korzystaniu danych z badań na terenie miasta Głogów. Instal 2006, nr 9, s. 81–84.

[19] Pit R.: Infiltration Through Disturbed Urban Soils and Compost-Amended Soil Effects on Runoff Quality and Quantity. United States Environmental Protection Agency, Washington 1999.

[20] PN-EN 752:2008: Drain and sewer systems outside buildings (Zewnętrzne systemy kanalizacyjne). PKN, Warszawa 2008.

[21] Rossman L. A.: Storm Water Management Model. User’s Manual. Version 5.0. United States Environmental Protection Agency, 2010.

[22] Schmitt T.: Kommentar zum Arbeitsblatt A 118” Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwässerungssystemen”. DWA, Hennef 2000; Wyd. Seidel-Przywecki, Warszawa 2007.

[23] Schmitt T., Thomas M.: Rechnerischer Nachweis der Überstauhäufigkeit auf der Basis von Modellregen und Starkregenserien. KA – Wasserwi-rtschaft, Abwasser, Abfall 2000 (47), Nr. 1, s. 63–69.

[24] Schmitt T., Thomas M., Ettrich N.: Analysis and modeling of flooding in urban drainage systems. Journal of Hydrology 2004, nr 299, s. 300–311.

[25] Skotnicki M., Sowiński M.: Weryfikacja metody wyznaczania szerokości hydraulicznej zlewni cząstkowych na przykładzie wybranej zlewni miej-skiej. POLKAN’08. Wydawnictwo Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, Lublin 2008.

[26] Słyś D.: Retencja zbiornikowa i sterowanie dopływem ścieków do oczyszc-zalni. Monografia. Wydawnictwo Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, Lublin 2009.

[27] Suligowski Z.: Zagospodarowanie wód opadowych. Szczególne proble-my. Forum Eksploatatora 2004, nr 3–4, s. 24–27.

[28] Zawilski M.: Integracja zlewni zurbanizowanej w symulacji spływu ścieków opadowych. Gaz, Woda i Technika Sanitarna 2010, nr 6, s. 28–32.

modelowanie hydrodynamiczne kanalizacji deszczowej na ... · wzdłuż ul. na niskich Łąkach do...

Documents