Na jaki opad projektować system odwodnienia?

Projektowanie systemów odwodnienia, w tym kanalizacji deszczowej, to jedno z kluczowych wyzwań w inżynierii miejskiej. Od jego prawidłowego funkcjonowania zależy nie tylko ochrona budynków i infrastruktury przed skutkami intensywnych opadów, ale przede wszystkim bezpieczeństwo mieszkańców. W czasach, gdy zjawiska ekstremalne – gwałtowne ulewy, nawalne deszcze czy nagłe roztopy – występują coraz częściej i z większą intensywnością, rośnie znaczenie odpowiedniego doboru parametrów projektowych.

Podstawowym pytaniem, przed którym stają projektanci, jest: na jaki opad zaprojektować system odwodnienia?

Wybór ten powinien być wypadkową określonych norm, lokalnych warunków i oczekiwań społecznych. Z jednej strony mieszkańcy oczekują, aby powierzchnie osiedli, ulice i przestrzenie publiczne pozostawały w stanie używalności niezależnie od warunków atmosferycznych. Z drugiej – całkowite wyeliminowanie ryzyka nadpiętrzeń kanalizacji jest praktycznie niemożliwe i ekonomicznie nieuzasadnione. Systemy odwodnienia muszą być zatem projektowane tak, by zapewniały wysoki poziom niezawodności, ale jednocześnie nie generowały nadmiernych kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych. W przypadkach, gdy brakuje informacji o pożądanym komforcie odwodnienia, punktem odniesienia pozostają normy europejskie, takie jak PN-EN 752, które podają zalecane kryteria projektowe w zależności od rodzaju zagospodarowania terenu i dopuszczalnych skutków ewentualnych wylewów.

Kluczowymi parametrami opadów, które należy uwzględnić w procesie projektowania są:

• prawdopodobieństwo przewyższenia – określające, jak często opad o danym natężeniu może zostać przekroczony w danym roku,
• czas trwania opadu – określany w zależności od czasu spływu powierzchniowego w zlewni i przepływu w sieci,
• natężenie opadu – wynikające z modeli opadowych dla ustalonego prawdopodobieństwa i czasu trwania wybranego opadu. W idealnej sytuacji projektant korzysta z lokalnych modeli opadowych.

Prawdopodobieństwo opadu

Jednym z kluczowych aspektów projektowania systemów odwodnienia jest rodzaj zagospodarowania terenu, ponieważ to on w największym stopniu determinuje dopuszczalny poziom ryzyka związanego z wystąpieniem wylewów z kanalizacji. Norma PN-EN 752 (2008) [1] bardzo wyraźnie precyzowała te wymagania, uzależniając częstość projektową deszczu miarodajnego i dopuszczalne częstości wylewów od funkcji terenu.

W przypadku terenów wiejskich, gdzie skutki ewentualnych podtopień są ograniczone, dopuszczano częstość wylewów raz na 10 lat. Jednak już dla terenów mieszkaniowych normatywne wymagania były ostrzejsze – dopuszczalna częstość spadała do raz na 20 lat. Jeszcze bardziej rygorystyczne podejście obowiązywało w centrach miast oraz w strefach przemysłowych i usługowych, gdzie wylewy mogły następować nie częściej niż raz na 30 lat. Najostrzejsze wymagania dotyczyły jednak podziemnych obiektów komunikacyjnych – przejść podziemnych, tuneli czy przejazdów pod ulicami – gdzie dopuszczalna częstość wylewów wynosiła zaledwie raz na 50 lat.

Tabela 1. Zalecane częstości projektowe deszczu obliczeniowego/miarodajnego i dopuszczalne częstości wystąpienia wylewów według PN-EN 752 (2008) [1]

Ewolucja wymagań – PN-EN 752 w 2017

W 2017 roku norma została zaktualizowana i zmieniła swoje podejście do określania kryteriów projektowych. Nowa wersja PN-EN 752 [2] nie narzuca już sztywnych wartości projektowych, lecz wskazuje przykłady kryteriów projektowych w zależności od wpływu, jaki wylew kanalizacji może mieć na otoczenie.

Podejście to daje projektantom większą elastyczność, ale jednocześnie wymaga głębszej analizy lokalnych warunków i oceny skutków ewentualnych zdarzeń. W normie z 2017 roku wyróżniono siedem poziomów wpływu – od bardzo małego, dotyczącego np. dróg i otwartych przestrzeni z dala od budynków, po bardzo wysoki, odnoszący się do infrastruktury krytycznej.

Tabela 2. Przykłady kryteriów projektowych kanalizacji dla wylań (PN-EN 752, 2017) [2]

Norma z 2017 roku dodatkowo podkreśla, że czasy nawrotu powinny być wydłużane w miejscach, gdzie wody powodziowe przemieszczają się szybko, a w przypadku modernizacji istniejących systemów można stosować niższe wartości, jeśli spełnienie nowych kryteriów wiązałoby się z nieproporcjonalnie wysokimi kosztami.

Porównując obie wersje normy, można zauważyć zmianę filozofii projektowania – z podejścia opartego na sztywnych wymaganiach liczbowych (2008) na bardziej elastyczne i kontekstowe (2017). Dzięki temu projektant ma możliwość uwzględnienia specyfiki lokalnej zlewni, istniejącej infrastruktury i ryzyka, co pozwala na lepsze dostosowanie systemu odwodnienia do realnych potrzeb mieszkańców i możliwości finansowych miasta.

Czas opadu

Czas opadu to okres, przez który opad o danym natężeniu jest brany pod uwagę w obliczeniach. Najczęściej ustala się go na podstawie czasu odpływu z najdalszych odcinków zlewni, przy czym należy uwzględnić zarówno spływ powierzchniowy do kanalizacji, jak i przepływ w samym rurociągu lub rowie.

Dla zlewni małych, o dużym stopniu uszczelnienia i wyraźnych spadkach terenu, minimalne wartości czasu opadu miarodajnego wynoszą zwykle 5–15 minut.

Tabela 3. Najkrótsze miarodajne czasy trwania deszczy przyjmowane w zależności od spadku terenu i uszczelnienia powierzchni zlewni [3]

W przypadku większych zlewni, w których droga odpływu jest dłuższa i bardziej zróżnicowana, czas ten odpowiednio się wydłuża. W modelach hydrodynamicznych stosuje się często tzw. opad modelowy, którego czas trwania powinien wynosić około dwukrotności najdłuższego czasu przepływu w analizowanej sieci kanalizacyjnej [3]. Umożliwia to pełniejsze odwzorowanie reakcji układu na deszcz projektowy. Jednak używając już modelu hydrodynamicznego warto sprawdzić, jaki scenariusz opadowy przeciąża dany system odwodnieniowy najbardziej – w pagórkowatym terenie może to być krótki, intensywny deszcz, a na terenie płaskim dłuższy, o mniejszej intensywności.

Natężenie opadu

Po wyborze prawdopodobieństwa wystąpienia deszczu i jego czasu trwania należy określić odpowiadające im natężenie opadu, czyli ilość wody spadającą na jednostkę powierzchni w danym czasie. Jest to jeden z kluczowych parametrów decydujących o wielkości przepływów w systemie kanalizacyjnym. Dokładne jego określenie pozwala uniknąć zarówno przewymiarowania sieci, jak i ryzyka przeciążeń hydraulicznych.

W idealnej sytuacji projektant korzysta z lokalnych modeli i danych pomiarowych, które odzwierciedlają rzeczywiste warunki opadowe w danym obszarze. Coraz więcej miast opracowuje własne modele opadów miarodajnych i zamieszcza je w warunkach technicznych dla projektantów.

Tam, gdzie takich danych brakuje źródłem informacji jest Polski Atlas Natężeń Deszczów (PANDa).

Polski Atlas Natężeń Deszczów (PANDa) – fundament współczesnego projektowania odwodnienia

Atlas PANDa udostępnia wartości natężeń deszczów miarodajnych dla różnych czasów trwania i prawdopodobieństw przewyższenia, stanowiąc wiarygodne źródło informacji tego typu w Polsce. Dzięki swojej kompletności i cyfrowej formie PANDa stała się fundamentem wielu współczesnych narzędzi inżynierskich wykorzystywanych w projektowaniu systemów odwodnienia. Jego podstawą są dane opadowe z trzech dekad, zarejestrowane przy użyciu około 100 deszczomierzy. Dane te pochodzą z całej Polski i obejmują okres 30 lat, zapewniając rozdzielczość przestrzenną 5 × 5 km. Atlas udostępnia wartości natężeń deszczów miarodajnych dla różnych czasów trwania (od 5 minut do 72 godzin) i prawdopodobieństw przewyższenia (od 100% do 1%).

Dane z PANDa są bezpośrednio wykorzystywane w kalkulatorach doboru urządzeń wodno-kanalizacyjnych na platformie WaterFolder, umożliwiając projektantom szybkie i precyzyjne obliczenia dostosowane do lokalnych warunków opadowych. W efekcie PANDa jest dziś nie tylko źródłem informacji, ale także podstawą cyfrowej transformacji w projektowaniu systemów odwodnienia, łącząc dane pomiarowe z praktyką inżynierską i wspierając miasta w adaptacji do zmian klimatu.

Co więcej, dane atlasowe posłużyły jako baza do opracowania wzorcowych hietogramów opadowych, które zostały wdrożone w module WaterFolder Connect – ale o tym opowiemy w kolejnym artykule.

[1] PN-EN 752:2008 Drain and sewer systems outside buildings

[2] PN-EN 752:2017 Drain and sewer systems outside buildings – Sewer system management

[3] Schmitt, T.G. z Komentarza ATV-DVWK do ATV – A118P Hydrauliczne wymiarowanie systemów odwadniających, Warszawa 2007