Problemy centrum miasta z wodami opadowymi

Wynika to zarówno z zagospodarowania przestrzennego terenu miasta, jak i systemu kanalizacyjnego oraz charakterystyki opadów ulewnych.

Łódź jest przykładem miasta, w którym wymienione problemy ujawniają się okresowo z różnym nasileniem, pomimo iż obszar aglomeracji z uwagi na jego geografię nie wydaje się szczególnie hydrologicznie wrażliwy. Jest pozbawiony większych cieków wodnych i terenów zalewowych czy obwałowań, a praktycznie leży na terenie źródłowym i wododziałowym.

W niniejszej pracy zostały przeanalizowane trudności związane z odwodnieniem terenu centrum miasta.

 

Początki intensywnej zabudowy Łodzi wiążą się z fazą szybkiej industrializacji w połowie XIX w. Stanisław Staszic (1755-1826), dokonując w 1825 r. lustracji ziem Królestwa Polskiego pod kątem możliwości rozwoju przemysłowego, wystawił Łodzi wielce pochlebną ocenę jako miasta, kóre „znajduje się z całą swoją rozległą okolicą pod obszernym i wyniosłym wzgórzem, z którego niezliczone tryszczą źródła. Tych bieg wód łatwo tak kierowany być może, iż prawie przy każdym fabrykanta mieszkaniu przebiegać mogą do jego użytku strumienie. Jest to z natury przysposobione miejsce nie tylko dla fabryk sukiennych, ale szczególniej dla wszelkiego gatunku rękodzielni bawełnianych i lnianych”. Miało to, jego zdaniem, stanowić idealne przesłanki do rozwoju przemysłu włókienniczego.

Tak samo ocenił to mecenas Łodzi przemysłowej, Rajmund Rembieliński, propagujący rozwój przemysłu bawełnianego¹. Zachęceni przemysłowcy zaczęli w pierwszej połowie XIX w. inwestować w Łodzi, można rzec, dość gwałtownie. Na wolnych jeszcze terenach rolniczych zaczęły powstawać wielkie zakłady przemysłu włókienniczego, których właścicielami byli tak znani później przemysłowcy, jak K. Scheibler, L. Geyer, J. Kunitzer, T.Grohmann czy I.K. Poznański. Część z nich obficie korzystała z istniejących rzek miejskich jako odbiorników ścieków, a czasem także źródła wody i energii wodnej.

Rzeki – kanały miejskie – zostały jednak w końcu dostrzeżone jako przyczyna licznych kłopotów. W takim stanie stwarzały bowiem zagrożenie sanitarne, bezpośrednio jako kanały nieoczyszczonych ścieków i pośrednio jako źródło skażenia ujęć wód podziemnych. Były wreszcie barierą dla dalszego rozwoju przemysłu. Wraz z rozwojem miasta rzeki coraz częściej występowały z brzegów po większych ulewach.

Na początku XX w. magistrat zaangażował znanego już w całej Europie inżyniera Williama H. Lindleya i powierzył mu opracowanie projektu rozwiązania gospodarki wodno-ściekowej Łodzi. Projekt ten ostatecznie został ukończony w 1909 r.². Lindley miał o tyle ułatwione zadanie, że nadzorował w tym czasie rozbudowę wodociągów i kanalizacji Warszawy wg własnego projektu. Jednak szybko zorientował się, że oba miasta dzieli wiele, jeśli chodzi o lokalną sytuację hydrograficzną. Stwierdził bowiem, że Łódź pozbawiona jest większej rzeki, co stwarza zarówno problemy w zaopatrzeniu w wodę, jak i w odprowadzaniu ścieków. Jako źródło wody oprócz zasobów podziemnych, wskazał od razu na Pilicę. Ze ściekami mogły jednak sobie poradzić tylko lokalne rzeki miejskie, ale pod warunkiem ich skanalizowania. Toteż cały system kanalizacyjny oparł Lindley o koryta rzek, przewidując główne kolektory wzdłuż biegu rzek i oznaczając je cyframi rzymskimi I-IV (ta nomenklatura obowiązuje do dziś). Co więcej, po starannej analizie, wahając się między rozdzielczym a ogólnospławnym systemem kanalizacji, wybrał ten drugi, argumentując to niższymi kosztami oraz niemożnością skutecznego podczyszczania ścieków opadowych, niosących znaczne ładunki zanieczyszczeń, spłukiwanych z ulic. W tym sensie, jak rozumował, system ogólnospławny wprawdzie też zagraża rzekom, jednak nie bardziej, niż rozdzielczy, a jest za to tańszy. Dlatego też na głównych kolektorach w bezpośredniej bliskości rzek, zaprojektował komory odciążające, zapobiegające przeciążeniu hydraulicznemu kolektorów, zwane dziś powszechnie przelewami burzowymi. Rzeki miały więc odtąd przejmować nadmiar wód burzowych i stanowić swoiste kanały ulgi. Rzecz jasna ta nadmiarowa ilość ścieków to zrzuty ścieków opadowych wymieszanych, choć przy znacznym rozcieńczeniu, ze ściekami pogody bezdeszczowej. Odpowiedni stopień rozcieńczenia miał gwarantować bezpieczeństwo sanitarne wód płynących rzekami (taka praktyka projektowania utrzymywała się do lat 60. XX w.).

Założenia te na zawsze zmieniły sytuację w zakresie odwodnienia miasta. Pomimo braku dużej rzeki, lokalne cieki wykształciły swoje wyraźne doliny, odwadniając tereny użytkowane rolniczo lub stanowiące ciągle spore kompleksy leśne. Jednak w trakcie urbanizacji cieki te zostały dociążone spływami z terenów uszczelnionych, a część z nich zniknęła, pozostawiając jednak ukształtowane wcześniej doliny³. Znaczna część cieków została z kolei przekształcona w kryte kolektory kanalizacyjne, a niekiedy dobudowano do nich biegnące równolegle nowe kolektory murowane, zaopatrzone w przelewy burzowe (np kolektor rzeki Łódki czy Jasienia).

 

Możliwe zmiany klimatyczne, których symptomy obserwuje się obecnie na całym świecie, mogą mieć bezpośredni wpływ na hydrologię miejską. Jednak zagadnienie to nie jest jeszcze wyjaśnione do końca, a w każdym razie przeważa pogląd, iż zbyt krótki jest okres obserwacji meteorologicznych na to, aby jednoznacznie zmiany te potwierdzić³.

Niewątpliwie na świecie obserwuje się liczne anomalia klimatyczne, które z czasem mogą przynieść więcej zauważalnych zmian np. w charakterystyce opadów. Objawem zmian klimatycznych może być np. zwiększona ilość opadów ulewnych obserwowanych w danej miejscowości. Efekt ten może być jednak pozorny, gdyż w ostatnich latach opracowano m.in. nowe formuły na tzw. opady projektowe miarodajne, zwykle zwiększające natężenie opadu o danym czasie trwania i prawdopodobieństwie wystąpienia. Nie jest to wszakże efekt zmian klimatycznych, a jedynie nowego sposobu opracowania archiwalnych danych opadowych.

Dla porównania można przedstawić różnice, jakie otrzymuje się dla natężenia opadu blokowego wg znanego wzoru Błaszczyka i nowszej zależności Bogdanowicza i Stachy’ego.

Wzór Błaszczyka dla środkowej Polski określa natężenie opadu w [l/s/ha]:

Jak wynika z porównania, poza C = 1 zależność Bogdanowicza i Stachy’ego daje wyraźnie większe wartości od zależności Błaszczyka, dotychczas powszechnie używanej przez projektantów systemów kanalizacyjnych. Oznacza to, że w wielu przypadkach systemy zaprojektowane w drugiej połowie XX w. mogą być niedowymiarowane, a obserwowane obecnie ich przeciążenie można wytłumaczyć właśnie nieadekwatnością stosowanych dawniej opadów miarodajnych.

Rzecz jasna w okresach wcześniejszych stosowano jeszcze inne formuły obliczeniowe dla opadów miarodajnych. I tak np. Lindley opracował własny zbiór opadów ulewnych, ato dane uzyskał z szeregu punktów pomiarowych na ziemiach obecnej Polski, a leżących w byłych zaborach. Trudno dzis ocenić, jaką wiarygodność miały te dane, jednak użyto ich do wymiarowania do dziś funkcjonujących kanałów. Z kolei Błaszczyk w 1954 r. oparł się na zbiorze opadów ulewnych zgromadzonych przez Pomianowskiego.

W tabeli 1 zestawiono informacje na temat opadów ulewnych zanotowanych na terenie Łodzi w ostatnich latach. Ich częstość pojawiania się określono na podstawie czasu trwania fazy intensywnej, większej od 15 l/s/ha oraz fazy opadu szczytowego z 10 minut.

 

 

 

Tab. 1. Zestawienie opadów intensywnych na terenie Łodzi w latach 1997-2010

 

 

Faza intensywna – dla natężenia opadu ponad 15 l/s/ha

C₁,C₂ –częstotliwość pojawiania się wg wzoru Bogdanowicza i Stachy’ego odpowiednio dla fazy intensywnej oraz 10-minutowej. Wyróżniono zjawiska, które wywołały efekty powodziowe na terenie miasta. Rekordową wysokość opadu zanotowano 15 czerwca 1980 r. (100 mm). Dane, wyszczególnione w tabeli 1 dopiero od 2010 r. pochodzą z większej liczby stanowisk pluwiometrycznych. Toteż dane z lat poprzednich, uzyskane do 2002 r. z jednego stanowiska IMGW, a od 2003 r. z trzech stanowisk PŁ i mogą być niedoszacowane. Dla 2010 r. można zauważyć, że na całym obszarze miasta wraz z jego peryferiami zdarza się lokalnie kilka opadów o częstości ponad rocznej pojawiania się, bowiem formuła statystyczna dotyczy pojedynczego punktu pomiarowego.

W takim przypadku, dysponując jedynie danymi z jednego punktu, nie sposób oszacować zasięgu i faktycznej intensywności opadu na większym obszarze. Typowa komórka burzowa ma, wg analizy pomiarów z 2010 r., zasięg ok. 10 km i porusza się z prędkością od 2 do 30 km/h⁴. Z danych z tabeli 1 trudno wywnioskować, iż obserwujemy wyraźną tendencję do zmian klimatycznych. Okres pomiarów jest na to zbyt krótki. Można jedynie dopatrzyć się wzrostu liczby opadów intensywnych oraz sporych okresów braku opadów w marcu i kwietniu, a także w październiku. Z kolei roczne sumy opadów nie wykazują wyraźnych różnic.

 

Jak wynika z zestawienia, prawdopodobieństwo wystąpienia powodzi miejskiej jest wyraźnie zależne od chrakterystyki opadu, a w szczególności jego prawdopodobieństwa statystycznego (w tym przypadku określonego z zależności Bogdanowicza i Stachy’ego). Dla C > 2 lata tendencja taka występuje często, a wyraźnie nasila się dla C > 5 lat, przy czym istotniejsze jest natężenie opadu nie dla fazy 10-minutowej, ale dla zdefiniowanej tu fazy intensywnej, trwającej zwykle ponad 15 minut. Jednakże samo prawdopodobieństwo wystąpienia opadu nie zawsze wiąże ściśle się z zagrożeniem powodzią miejską. Bywa, że opady intensywne nie wywołują powodzi, gdyż: mają ograniczony zasięg, nie wystąpują na obszarach zlewni uszczelnionej, a np. tylko na przemieściach, nie są poprzedzone okresem mniejszych opadów, w wyniku czego potencjalnie wysuszona zlewnia i zbiorniki wodne terenowe wykazują duże zdolności retencji wody.

Z drugiej strony zdarza się, iż w specyficznych warunkach opady mniej intensywne doprowadzają do podtopień terenu miasta, gdy są poprzedzone innymi opadami albo gdy natrafiają na niekorzystne warunki terenowe, np. ukształtowanie wysokościowe oraz strukturę sieci kanalizacyjnej. W zaobserwowanych licznych przypadkach dochodziło do zalania terenu miasta w wyniku niedrożności wpustów w ulicach z nieckami terenowymi, a czasem także przy opadach długotrwałych. W tym ostatnim przypadku na podtopienia narażone są doliny rzek miejskich, szczególnie na odcnikach łączenia się dwóch cieków.

W okresie powodzi w Polsce w lipcu 1997 r. obszar Łodzi nie był zagrożony typową powodzią, wynikającą z wylewu wód z koryta rzeki. Jednak trzydniowe opady długotrwałe w pierwszej dekadzie miesiąca spowodowały liczne podtopienia niżej położonych terenów z uwagi na nasycenie gruntu i wyczerpanie chłonności w konsekwencji nawet niezbyt dużych intensywności opadów.

Trzeba pamiętać, że system kanalizacyjny stanowi skuteczny obiekt zmniejszający efekty zalania terenu, jednak tylko wówczas, gdy jest sprawny i nieprzepełniony. Mimo iż system kanalizacji ogólnospławnej naśladuje dawny system hydrograficzny, zwiększone spływy ścieków opadowych najczęściej kumlują się w rejonie dolin rzek miejskich. Trudna sytuacja hydrologiczna wiąże się z faktem położenia Łodzi na wododziale Wisła-Odra, w wyniku czego na terenie miasta wystepują jedynie małe cieki o dość wąskich korytach naturalnych. Ze względu na zanik niektórych cieków na ich odcinkach źródłowych i likwidację innych, spływy z terenu zurbanizowanego nie mieszczą się często w tych korytach, nawet po ich regulacji. Łódzki system kanalizacji ogólnospławnej został wyposażony, zgodnie jeszcze z ideą Lindleya, w kilkanaście przelewów burzowych. Do rzek miejskich trafiają obecnie ścieki z ok. 150 wylotów kanalizacji deszczowej oraz 18 przelewów burzowych kanalizacji ogólnospławnej³ . Obserwuje się zatem zasadniczo trzy przyczyny powstawania powodzi miejskich: po pierwsze, brak możliwości odbioru nadmiaru wody ze spływu powierzchniowego w wyniku niekorzystnie ukształtowanego terenu, np. wklęsłości niwelety dróg i kolein oraz zbyt małej ilości wpustów ulicznych, ulegających często zatkaniu w czasie gwałtownych opadów, a niekiedy i usytuowanych źle wysokościowo. Po drugie przepełnianie się kanałów, połączone ze zjawiskiem cofki oraz ograniczaniem i tak już niewystarczającego odbioru spływu powierzchniowego, a po trzecie przepełnianie się koryt rzek miejskich w wyniku nadmiaru ścieków opadowych i przelewów burzowych, nasilone na skutek niewystarczającego światła niektórych przepustów oraz tarasowaniu i zarastania koryt rzek.

Ich umiarkowane obciążenie nie powoduje wiekszych kłopotów w korytach odbiorników, jednak kumulacja spływu z opadów ulewnych trafia do tych koryt, przepełniając je i wywołując nawet zahamowanie spływu ścieków. Przy okazji transportowane przez przelewy burzowe i przez spływ terenowy zanieczyszczenia grube blokują światło przepustów. W drastycznych przypadkach dochodzi do rozmywania gruntu wokół przepustów przez wodę, starającą się znaleźć alternatywną drogę spływu. Sama kumulacja spływu w korytach rzek miejskich jest także związana z ich zarastaniem w okresach wiosenno-letnich i brakiem środków na oczyszczanie.

Innym problemem jest też podtapianie piwnic niektórych budynków oraz ulic i placów w centrum miasta. W przypadku budynków jest to związane z niewyposażeniem przykanalików w zawory przeciwzalewowe. Znane z ustawicznych podtopień fragmenty miasta są z kolei najniższymi rejonami w okolicy, np. węzeł ul. Strykowskiej przy wjeździe od strony Warszawy – niecka terenowa w dolinie rzeki Łódki, której koryto przebiega przepustem pod skrzyżowaniem (rzeka ta odwadnia północno-wschodnią część miasta), ul. Zachodnia przy centrum Manufaktura – przecięcie z doliną rz. Łódki, zalewany parking przy pałacu Poznańskiego, ul.Gdańska przy ul. Legionów – dolina dawnego niewielkiego cieku, zlikwidowanego w 1904 r. Ponadto al. Piłsudskiego przy parku Źródliska – dolina dawnego cieku Lamus, wiadukt kolejowy na linii Łódź Kaliska – Zgierz w ul. Konstantynowskiej – obniżenie jezdni drogi wylotowej w kierunku zachodnim, liczne przypadki podtopień środków komunikacji miejskiej i prywatnej, podobna sytuacja pod wiaduktem na tej samej trasie PKP. W przypadku ul. Drewnowskiej biegnące obok koryto kryte rz. Łódki ma rzędną wyższą niż jezdnia.

Potwierdzeniem tych obserwacji mogą być profile podłużne niektórych ulic łódzkich (rys. 2, 3).

 

Ze względu na istniejącą zwartą zabudowę centrum miasta i dość niekorzystne warunki geologiczne, nie ma możliwości zatrzymania wód opadowych na miejscu przez zastosowanie urzadzeń infiltracyjnych. Dlatego też ograniczenie niekorzystnych zjawisk hydrologicznych mozna zapewnić przez odłączenie części powierzchni uszczelnionych od systemu ogólnospławnego i skierowanie odpływu z nich do systemu rozdzielczego oraz likwidację pewnych przeciążeń kanalizacji deszczowej, a w ostateczności skierowanie ścieków opadowych inną drogą do koryt rzek miejskich⁵. Odpowiednie inwestycje realizowano w ramach zadania 4 „Modernizacja kanalizacji deszczowej w Łodzi”, realizowanego w ramach Projektu „Wodociągi i oczyszczalnia ścieków w Łodzi II” dofinansowanego z Funduszu Spójności oraz zadania 5 „Modernizacja kanalizacji ogólnospławnej i przelewów burzowych w Łodzi – Etap I”⁶.

Inne działanie to tworzenie i odtworzenie retencji na ciekach miejskich, czego przykładem jest zaawansowana budowa kaskady rzeki Sokołówki^{3, 5}. Hydrologiczne wymiarowanie obiektów hydrotechnicznych zakładało opad miarodajny p = 10% (C = 10 lat) i zbieranie spływu z przyległych zlewni zurbanizowanych. Obliczenia dodatkowo przeprowadzono dla ciągu opadów historycznych z lat 2003-2008, w wyniku czego określono faktyczne obciążenie koryt i zbiorników retencyjnych⁷. Kaskada ta stanowi przy okazji działanie proekologiczne, będące próbą implementacji renaturyzacji cieku na terenie zurbanizowanym.

 

1.Rosin R. (red.): Łódź – dzieje miasta. Tom. I. Łódź-Warszawa 1980.

2.Lindley W.H.: Entwässerung der Stadt Lodz. 1909.

3. Wierzbicki P., Waack-Zając A., Kośka T.: Układ hydrograficzny miasta Łodzi. „Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej. Budownictwo” 61/2010.

4. Zawilski M.: Wstępne rezultaty monitoringu przestrzennego rozkładu opadów w Łodzi w r. 2010. II Konferencja „Zjawiska ekstremalne w eksploatacji infrastruktury komunalnej”, Zegrze 2011.

5. Zawilski M., Sakson G.: Możliwości modernizacji systemu kanalizacyjnego na terenach istniejącej zabudowy zwartej. V Ogólnopolska Konferencja Szkoleniowa „Wody opadowe – aspekty prawne, ekonomiczne i techniczne”. ABRYS. Gdynia 2010.

6. Kłapot R.: Przykłady realizacji sieci kanalizacyjnej na terenie Łodzi metodą mikrotunelingu w ramach modernizacji systemu, V Ogólnopolska Konferencja Szkoleniowa „Wody opadowe – aspekty prawne, ekonomiczne i techniczne”. ABRYS. Gdynia 2010.

7. Zawilski M., Sakson G., Wierzbicki P.: Model cyfrowy rzeki Cokołówki. Opracowanie na zlecenie Urzędu Miasta Łodzi. 2008.

 

dr hab. inż.Marek Zawilski, inż. Piotr Wierzbicki, Instytut Inżynierii Środowiska

Politechnika Łódzka

 

 

s. 90

dr hab. inż.Marek Zawilski, inż. Piotr Wierzbicki,