Infiltracja i retencja wód

Zagospodarowanie wody opadowej na obszarach zurbanizowanych coraz częściej prowadzone jest w oparciu o urządzenia przeznaczone do lokalnej infiltracji i retencji.

Tego typu rozwiązania, w tym głównie infiltracja wód opadowych do gruntu, są zgodne z zasadami zrównoważonego rozwoju i z tego powodu powinny być preferowane. Niekiedy jednak zastosowanie odpowiednich urządzeń jest koniecznością. Wynika ona z braku możliwości wprowadzenia wód opadowych odprowadzonych z nowych powierzchni uszczelnionych do sieci kanalizacyjnych z powodu ich hydraulicznego przeciążenia. Lokalne urządzenia do infiltracji i retencji wód opadowych wykorzystuje się także w przypadku modernizacji funkcjonujących sieci kanalizacyjnych. Tego typu działania są podejmowane,  gdy konieczne jest ograniczenie ilości ścieków opadowych, wprowadzanych do sieci w celu zmniejszenia ryzyka wystąpienia tzw. powodzi miejskich lub ograniczenia częstotliwości działania przelewów burzowych. W każdym przypadku konieczne jest określenie: skuteczności funkcjonowania urządzeń, tj. możliwości ograniczania objętości ścieków opadowych kierowanych do systemów centralnych oraz stopnia zmniejszenia maksymalnego natężenia przepływu tych ścieków.

Przegląd dostępnych rozwiązań

Urządzenia do lokalnej infiltracji i retencji są znane i stosowane od dawna¹. W ostatnich latach obserwuje się jednak znaczny wzrost zainteresowania tego typu rozwiązaniami, tym bardziej, że dostępne są na rynku również gotowe modele. Charakteryzują się one prostotą i łatwością montażu. Coraz częściej stosowane są też systemy do gromadzenia wód opadowych w celu ich późniejszego gospodarczego wykorzystania, co dodatkowo umożliwia  ograniczenie zużycia wody wodociągowej. Urządzenia do lokalnej infiltracji i retencji zaliczane są do rozwiązań typu LID (ang. low impact development), czyli o ograniczonym oddziaływaniu na środowisko, a także do grupy rozwiązań BMP (ang. best management practice), czyli najlepszych praktyk stosowanych w zarządzaniu. Przykłady najczęściej stosowanych rozwiązań i ich charakterystykę zawiera tabela.

 

Charakterystyka urządzeń do lokalnej infiltracji i retencji wód opadowych

 

Funkcja	Przykłady urządzeń	Warunki stosowania	Efekty
Infiltracja	Powierzchnie z zielenią i powierzchnie bez zieleni (kostka przepuszczalna, asfalt porowaty itp.)	Wymagają znacznej powierzchni terenu, grunty dobrze i średnio przepuszczalne.	Ograniczenie ilości ścieków deszczowych odprowadzanych do kanalizacji, zachowanie naturalnego obiegu wody w zlewni. Urządzenia z zielenią zapewniają oczyszczanie ścieków i wysokie walory estetyczne.
Retencja z infiltracją	Studnie chłonne, rowy chłonne, niecki, zbiorniki infiltracyjne, gotowe systemy rozsączające: skrzynki, pakiety, komory drenażowe, tunele itp.	Wymagana dostępna powierzchnia terenu, ale niektóre mogą być stosowane pod parkingami i drogami;  grunty dobrze i średnio przepuszczalne.	Ograniczenie ilości ścieków deszczowych odprowadzanych do kanalizacji, zachowanie naturalnego obiegu wody w zlewni. Urządzenia z zielenią zapewniają oczyszczanie ścieków i wysokie walory estetyczne.
Retencja	Dachy zielone, zbiorniki na ciekach, sieciowe zbiorniki retencyjne konwencjonalne, podziemne zbiorniki rurowe	Dla dachów wymagana odpowiednia konstrukcja budynków. Zbiorniki konwencjonalne mogą wymagać opróżniania pompowego.	Ograniczenie maksymalnych przepływów w kanalizacji. Wysokie walory estetyczne w przypadku dachów zielonych i zbiorników na ciekach
Gromadzenie i wykorzystanie	Zbiorniki z instalacją doprowadzającą do punktów czerpalnych na zewnątrz lub wewnątrz budynków	Ze względu na wymagania jakościowe dotyczą głównie wód opadowych zbieranych z dachów.	Oszczędność wody wodociągowej, ograniczenie maks. przepływu w kanalizacji

 

Wpływ na systemy kanalizacyjne

Podstawą działania urządzeń do lokalnej infiltracji i retencji jest przejęcie wód opadowych z odwadnianej powierzchni uszczelnionej. Następnie wody zostają skierowane do gruntu lub, po okresowym przetrzymaniu, zostają stopniowo wprowadzone do środowiska przy określonym, kontrolowanym natężeniu przepływu. Opróżnianie urządzenia może się również odbywać przez pobór wody w celu jej gospodarczego wykorzystania, ma to miejsce np. w przypadku zbiorników. Jeżeli mamy do czynienia z urządzeniami z roślinnością to proces ten następuje poprzez ewapotranspirację. Każde tego typu rozwiązanie charakteryzuje się określoną pojemnością rzeczywistą lub wynikającą z chłonności gruntu. Z tego względu, w przypadku przepełnienia nadmiar wód opadowych odprowadzany jest poprzez przelew, w przypadku terenów uzbrojonych, do kanalizacji. Zawsze jednak obserwuje się ograniczenie odpływu, zarówno jego objętości, jak i natężenia. Wpływ urządzeń do lokalnej infiltracji i retencji na funkcjonowanie systemów odwodnień w miastach jest przedmiotem wielu analiz, zarówno w przypadku zrealizowanych obiektów, jak i planowanych. Przykładem może być m.in. funkcjonujący w mieście Augustenborg w dzielnicy Malmoe (Dania) system, w którym do zagospodarowania wód opadowych wykorzystano m.in. dachy zielone i stawy retencyjne. Przy wykorzystaniu modelu pn. Pondpak ustalono m.in., że system pozwala na ograniczenie objętości odpływu ze zlewni w przypadku deszczu dwuletniego o 91%, a w przypadku deszczu pięcioletniego o 65%². Analizy przeprowadzone dla jednej ze zlewni w Genui³ (Włochy) z wykorzystaniem programu EPA SWMM wykazały, że wprowadzenie dachów zielonych na 10% budynków pozwala na redukcję maksymalnego odpływu ze zlewni o 5%, a wprowadzenie ich na wszystkich budynkach o 51%. W konsekwencji może to powodować istotne ograniczenie działania przelewów burzowych. Z kolei obliczenia wykonane dla Waszyngtonu (USA) pozwoliły ustalić, że zastosowanie dachów zielonych na 20% istniejących budynków i 80% nowo budowanych pozwoliłoby na ograniczenie o 15% ilości zrzutów przez przelewy burzowe⁴. Podobne analizy dotyczące efektywności dachów zielonych w ograniczaniu odpływu wód opadowych do kanalizacji były przeprowadzane dla Toronto (USA)⁵ lub Brukseli⁶ (Belgia). Pozytywny wpływ na funkcjonowanie systemów kanalizacyjnych w miastach mają również zbiorniki do gromadzenia wody opadowej w celu jej późniejszego wykorzystania. Wprowadzenie zbiorników o objętości 5000 l na 100 m² powierzchni dachu dla 30% powierzchni nieprzepuszczalnej pozwala obniżyć wielkość maksymalnego spływu do kanalizacji, redukując parametry deszczu pięcioletniego do wielkości charakterystycznych dla opadu jednorocznego⁷. Zbiorniki magazynujące wody opadowe z dachów pozwalają osiągnąć wskaźnik 300 m³/ha powierzchni zredukowanej, tj. kilkakrotnie więcej, niż objętość zbiorników przed przelewami⁸. W optymalnych warunkach możliwe jest zmniejszenie objętości zrzutów przez przelewy o 10-20%, a maksymalnego natężenia przepływu o 15-25%. Analizy przeprowadzone dla miasta Jokohama (Japonia) pozwoliły ustalić, że urządzenia do lokalnej infiltracji i retencji w różny sposób wpływają na funkcjonowanie systemów kanalizacyjnych⁹. Obiekty retencji pozwalają na istotne ograniczanie maksymalnego natężenia odpływu ze zlewni, natomiast są mniej skuteczne, jeśli chodzi o zmniejszanie objętości spływu. Stosowanie urządzeń do infiltracji wód opadowych do gruntu daje natomiast efekty odwrotne.

Symulacja funkcjonowania systemu

Ocena skuteczności działania urządzeń typu LID, a także modelowanie funkcjonowania systemów kanalizacyjnych, w których wykorzystuje się tego typu urządzenia jest obecnie możliwe dzięki zastosowaniu programów komputerowych, np. EPA SWMM czy STORM.  Najnowsza wersja programu EPA SWMM¹⁰ pozwala na wprowadzenie do modelu pięciu typów urządzeń. Są to: obiekty bioretencji, rowy infiltracyjne, nawierzchnie porowate, zbiorniki do gromadzenia spływów opadowych oraz rowy i niecki trawiaste. Wykorzystanie tego typu urządzeń w modelu możliwe jest po ustaleniu szeregu parametrów charakteryzujących powierzchnię, grunt, zdolności retencyjne i drenaż. W przypadku niektórych urządzeń uzyskanie wiarygodnych wyników obliczeń możliwe jest dopiero po kalibracji programu, w oparciu o dane pomiarowe opadów i przepływu.

Symulację funkcjonowania systemu kanalizacyjnego z urządzeniami typu LID, przeprowadzono przy wykorzystaniu programu EPA SWMM. W związku z tym przeanalizowano przepływ w kanale odprowadzającym ścieki opadowe z fragmentu zlewni przemysłowej o stopniu uszczelnienia ok. 70% dla stanu aktualnego, a także po wprowadzeniu skrzynek infiltracyjnych deklarowanych w programie jako rowy infiltracyjne. Przyłączono do nich 75% powierzchni uszczelnionych, z kolei skrzynki zajmowały 0,4% powierzchni zlewni. Efektywność działania skrzynek jest oczywiście ograniczona ich pojemnością, a także zdolnościami infiltracyjnymi gruntu. Zależy ona również od aktualnego nasycenia gruntu wodą, stąd też określenie rzeczywistej skuteczności ich działania możliwe jest po przeprowadzeniu obliczeń dla dłuższej serii opadów. Podobnie jest w przypadku dachów zielonych, które w programie deklarowane są jako obiekty bioretencji. Analizie poddano również odpływ z dachu zielonego przy różnej (200 mm i 300 mm) wysokości substratu (gleby), mającej bezpośredni wpływ na jego zdolności retencyjne. Badania przeprowadzone w centralnych dzielnicach Łodzi, dla wybranych zlewni, wykazały, że zastosowanie skrzynek rozsączających i dachów zielonych może w istotnym stopniu wpływać na ograniczenie dopływu do sieci kanalizacyjnej, a także zmniejszyć częstotliwość działania przelewów burzowych. Stosowanie lokalnych urządzeń do infiltracji i retencji wód opadowych na obszarach zurbanizowanych może w istotny sposób przyczynić się do poprawy funkcjonowania systemów kanalizacyjnych. Oceny skuteczności działania tych urządzeń można obecnie dokonać dzięki zastosowaniu nowych narzędzi modelowania komputerowego, np. programu EPA SWMM. Warunkiem wysokiej efektywności urządzeń jest ich właściwy dobór, a także optymalna lokalizacja. W warunkach zlewni miejskiej często jest to jednak utrudnione ze względu na ograniczoną dostępność terenu lub też warunki gruntowe, które w przypadku urządzeń do infiltracji muszą spełniać określone wymagania.

dr inż. Grażyna Sakson, Politechnika Łódzka

 

Źródła

1. Geiger W., Dreiseitl H.: Nowe sposoby odprowadzania wód deszczowych. Wydawnictwo Projprzem-EKO. 1999.

2.  Villareal E.L., Semadeni-Davies A., Bengtsson L.: Inner city stormwater control using a combination of best management practices. ?Ecological Engineering? 22, 2004.

3. Palla A., Berretta C., Lanza L. G., La Barbera P.:  Modelling storm water control operated by green roofs at the urban catchment scale. 11th International Conference on Urban Drainage. Edinburgh, Scotland, UK. 2008.

4. Deutsch B, Whitlow H., Sullivan M., Savineau A.: Re-greening Washington, DC: A Green Roof Vision Based on Quantifying Storm Water and Air Quality Benefis. 2005.

5. Doshi H. i  in.: Report on the Environmental Benefits and Cost of Green Roof Technology for the City of Toronto. Ryerson University. 2005.

6. Mentens J., Raes D., Hermy M.: Green roofs as a tool for solving the rainwater runoff problem in the urbanized 2 st century. Landscape and urban planning, 77. 2006.

7. Vaes G., Berlamont J.: The effects of rainwater storage tanks on design storms. Urban Water, vol. 3. 2001.

8. Vaes G., Berlamont J.: The impact of rainwater reuse on CSO emissions. Wat. Sci. Tech., vol. 39(5). 1999.

9. Ohnami W., Shindo T., Kariya K., Tobe I.: Study on Stormwater Control Effect Estimation Method of Various Facilities by the Use of Runoff Simulation, Proc. 9^th Int. Conf. on Urban Storm Drainage. Portland 2002.

10. Rossman A. L. Storm water management model user?s manual. Version 5.0. Water Supply and Water Resources Division National Risk Management Research Laboratory. Cincinnati. 2010.