Aby rozwój infrastruktury drogowej i kolejowej nie prowadził do degradacji środowiska naturalnego, konieczne jest respektowanie lokalnych warunków gruntowo-wodnych oraz hydrologicznych. Z tego powodu woda powinna pozostać w pobliżu dróg i torów, a systemy odwodnieniowe powinny bazować przede wszystkim na retencji i infiltracji wód opadowych. Takie podejście wymaga bardziej zaawansowanego projektowania i odpowiednich narzędzi oraz technologii, które są  dostępne na cyfrowej platformie WaterFolder.com.

Nowe wyzwania w projektowaniu odwodnień drogowych

W ostatnich latach zasady projektowania systemów odwodnienia dróg i linii kolejowych ulegają znaczącym zmianom. Jest to wynik wielu współzależnych czynników, takich jak nowe wyzwania w zakresie projektowania, budowy i utrzymania infrastruktury transportowej, rosnące wymagania prawne dotyczące gospodarowania wodami, rozwój nowoczesnych technologii materiałowych oraz powszechna dostępność narzędzi cyfrowych wspierających projektowanie. Nie bez znaczenia są również zauważalne skutki zmian klimatycznych.

Bez wątpienia podróżowanie po Polsce stało się wygodniejsze dzięki rozbudowie autostrad, modernizacji sieci kolejowej i poprawie standardu dworców. W perspektywie najbliższych lat dalszy postęp w tej dziedzinie, w tym realizacja infrastruktury Centralnego Portu Komunikacyjnego (CPK) i wprowadzenie taboru dużych prędkości, ma uczynić transport jeszcze szybszym i bardziej komfortowym. Jednak wraz z rozwojem infrastruktury konieczna jest zmiana podejścia do projektowania odwodnień.

Nowoczesne drogi i linie kolejowe, ze względu na większą liczbę pasów ruchu, dodatkowe pasy awaryjne, czy miejsca obsługi podróżnych, powodują wzrost spływu wód opadowych i roztopowych. Jednocześnie ich konstrukcja, często prowadzona w tunelach i wykopach, czyni je bardziej podatnymi na podtopienia. Wzrastające prędkości jazdy wymagają efektywnego odprowadzania wody z nawierzchni, co stawia nowe wyzwania w obliczeniach hydraulicznych dotyczących wpustów ulicznych i systemów odwodnień liniowych. Tradycyjne metody doboru urządzeń odwadniających na podstawie tabelarycznych wartości okazują się niewystarczające – konieczne staje się dokładne modelowanie ich przepustowości i skuteczności działania.

Zmiany klimatyczne dodatkowo komplikują sytuację, prowadząc do częstszych i intensywniejszych opadów deszczu przerywanych okresami suszy. To z kolei wpływa zarówno na funkcjonowanie systemów odwodnień, jak i na jakość odprowadzanych wód, zwiększając ładunek zanieczyszczeń i wymagania wobec urządzeń oczyszczających, takich jak separatory substancji ropopochodnych. Współczesne regulacje prawne, w tym zapisy Prawa Wodnego, nakładają jednocześnie obowiązek ograniczenia maksymalnego odpływu i całkowitej objętości odprowadzanych wód, co stanowi dodatkowe wyzwanie.

Jak skutecznie dostosować projektowanie odwodnień komunikacyjnych do tych nowych realiów? Odpowiedzi na to pytanie można znaleźć w dwóch kluczowych krajowych standardach: Standardzie CPK, czyli szczegółowych warunkach technicznych dla budowy infrastruktury kolejowej Centralnego Portu Komunikacyjnego, oraz Wytycznej WR-D-71-1, dotyczącej projektowania, realizacji i utrzymania urządzeń odwodnienia dróg i ulic. W dalszej części przeanalizujemy najważniejsze aspekty tych dokumentów i ich praktyczne zastosowanie.

Woda powinna pozostać w pobliżu torów i dróg

Zarówno Standard CPK, jak i Wytyczna WR-D-71-1 podkreślają konieczność zatrzymywania wody w sąsiedztwie infrastruktury komunikacyjnej. Najlepiej oddaje to diagram (rys. 1) umieszczony we wstępie Wytycznej WR-D-71-1, który wskazuje projektantom optymalne sposoby zagospodarowania wód opadowych. Współcześnie to właśnie zagospodarowanie wód deszczowych staje się kluczowym terminem, zastępując tradycyjne podejście, polegające wyłącznie na ich odprowadzaniu.

W sektorze odwodnień komunikacyjnych era strategii „collect and drain” (przechwytywania i szybkiego odprowadzania wód) dobiega końca. Choć nadal kluczowe jest skuteczne przechwytywanie wód opadowych, aby nie stwarzały zagrożenia dla użytkowników dróg i kolei. Współczesne rozwiązania nie koncentrują się już wyłącznie na ich jak najszybszym odprowadzaniu do rzek, potoków czy systemów kanalizacyjnych. Wynika to zarówno z ograniczonej przepustowości odbiorników wodnych, jak i z pragmatycznych powodów finansowych – inwestorzy muszą uwzględniać koszty długoterminowej eksploatacji systemów odwodnienia.

Zgodnie z zapisami Prawa Wodnego, odprowadzanie wód opadowych lub roztopowych do odbiorników wiąże się z obowiązkiem uiszczania stałych i zmiennych opłat, zależnych od intensywności i objętości odpływu. W konsekwencji najbardziej opłacalnym rozwiązaniem staje się stosowanie systemów infiltracyjnych, czyli rozsączanie wody opadowej na miejscu za pomocą rozproszonej retencji. Jeżeli infiltracja nie jest możliwa, alternatywą pozostaje retencja scentralizowana, np. w postaci zbiorników infiltracyjnych zbudowanych ze skrzynek rozsączających – technologii dobrze znanej i sprawdzonej na polskim rynku od niemal dwóch dekad.

W przypadkach, gdy ani infiltracja, ani retencja scentralizowana nie są wykonalne, konieczne staje się stosowanie klasycznej retencji wód opadowych. Jej głównym celem jest ograniczenie maksymalnego odpływu do odbiorników poprzez jego zdławienie do poziomu odpowiadającego warunkom sprzed realizacji inwestycji. Takie podejście nie tylko minimalizuje wpływ infrastruktury na lokalne stosunki wodne, ale również pozwala obniżyć koszty eksploatacyjne – mniejszy odpływ oznacza niższe opłaty oraz łatwiejsze negocjacje z zarządcami odbiorników wodnych, np. eksploatatorami systemów kanalizacyjnych czy instytucjami takimi jak Wody Polskie.

Z punktu widzenia ochrony środowiska równie istotne jest ograniczenie zanieczyszczeń spływających z nawierzchni dróg i torów. Retencja, poprzez redukcję i spowolnienie odpływu, ułatwia oczyszczanie wód opadowych – wiele zanieczyszczeń ulega naturalnej sedymentacji w zbiornikach retencyjnych. To korzystne zjawisko ekologiczne wymaga jednak regularnej konserwacji. Zbiorniki muszą być systematycznie monitorowane i czyszczone, a w przypadku systemów podziemnych konieczne może być zastosowanie technologii automatycznego spłukiwania osadów.

Rys. 1. Schemat wyboru sposobu odprowadzenia wód opadowych lub roztopowych zamieszczony w Wytycznej WR-D-71-1) [3]

Nowoczesne rozwiązania wymagają nowego podejścia projektowego

Wdrażanie innowacyjnych technologii w systemach odwodnień komunikacyjnych wymaga całkowicie nowego podejścia projektowego. Nie da się ukryć, że jest ono bardziej złożone i wymagające. Konieczne staje się m.in. precyzyjne obliczanie objętości zbiorników infiltracyjnych i retencyjnych, dobór regulatorów hydraulicznych ograniczających odpływ czy projektowanie systemów płuczących. W szczególności obliczenia dotyczące zbiorników mogą być czasochłonne, gdyż wymagają szczegółowej analizy bilansów dopływów i odpływów wód opadowych dla różnych czasów trwania deszczy miarodajnych, aby zidentyfikować najbardziej niekorzystne scenariusze. Przykłady takich analiz można znaleźć w obowiązujących wytycznych inżynierskich.

Dodatkowe wyzwania pojawiają się już na etapie gromadzenia danych wejściowych. Kluczowe znaczenie ma znajomość lokalnych i aktualnych natężeń deszczów miarodajnych, które nie mogą być już wyznaczane przy użyciu przestarzałej formuły Błaszczyka. Badania wykazały, że formuła ta znacząco zaniża wartości opadów dla Polski , co w dobie postępujących zmian klimatu i wzrastających natężeń maksymalnych opadów mogłoby prowadzić do niedowymiarowania systemów odwodnienia. Dodatkowo, formuła Błaszczyka została opracowana dla opadów o czasie trwania do 180 minut, co sprawia, że nie nadaje się do określania objętości większych zbiorników retencyjnych lub infiltracyjnych, które często determinują deszcze o dłuższym czasie trwania.

Z tego względu Standard CPK jasno określa, że w projektowaniu systemów odwodnień należy korzystać z wiarygodnych atlasów lub modeli opadowych, dostępnych na rynku bądź opracowanych przez jednostki naukowo-badawcze o odpowiednich kompetencjach. Co więcej, taki model opadowy powinien być aktualny i bazować na statystycznych analizach wysokości i natężeń opadów z ostatnich dziesięcioleci, przy czym dane źródłowe nie mogą być starsze niż 50 lat.

W przypadku infrastruktury liniowej, takiej jak systemy odwodnień kolejowych czy drogowych, atlas opadowy okazuje się bardziej praktyczny niż pojedynczy model opadowy. Wynika to z konieczności dzielenia długich tras na sekcje nieprzekraczające 50 km, dla których należy przyjmować indywidualne, lokalnie dopasowane wartości natężeń opadów miarodajnych. Taki podział pozwala na bardziej precyzyjne projektowanie systemów odwodnienia, uwzględniając różnice w opadach na poszczególnych odcinkach trasy.

Pozornie trudne wymagania – dostępne rozwiązania

Na pierwszy rzut oka powyższe wymagania mogą wydawać się restrykcyjne i trudne do spełnienia. Można odnieść wrażenie, że inżynierowie zostają zmuszeni do poszukiwania niedostępnych atlasów opadowych lub korzystania z usług jednostek naukowo-badawczych, które opracowują lokalne modele opadowe. Wydaje się to trudne do pogodzenia z presją czasu i kosztów, charakterystyczną dla krajowego rynku usług projektowych. Jednak w rzeczywistości te obawy są nieuzasadnione.

Od 2020 roku dostępny jest Polski Atlas Natężeń Deszczów PANDa, atlas ten spełnia wszystkie wymogi dotyczące aktualności danych opadowych oraz prawidłowości metodyki opracowania statystyk deszczów miarodajnych. Szczegóły jego opracowania są opisane w monografii. Dzięki atlasowi PANDa inżynierowie mogą szybko i łatwo uzyskać lokalne krzywe natężeń deszczów miarodajnych dla różnych prawdopodobieństw wystąpienia opadów w dowolnej lokalizacji w Polsce. Co istotne, wartości natężeń deszczów są potwierdzane dołączanym certyfikatem, co zapewnia ich wiarygodność.

Choć pobieranie danych z Atlasu PANDa wiąże się z niewielką opłatą (wynikającą z konieczności komercjalizacji projektu dofinansowanego przez NCBiR), to inżynierowie mogą korzystać z jego zasobów bezpłatnie poprzez platformę WaterFolder.com. Platforma ta umożliwia nie tylko dostęp do danych opadowych, ale także wspiera dobór kluczowych elementów systemów odwodnień drogowych.

Przykład zastosowania WaterFolder.com w praktyce

Dzięki zaawansowanym algorytmom i aktualnym bazom danych, kalkulatory WaterFolder.com umożliwiają szybkie i precyzyjne dopasowanie rozwiązań odwodnieniowych do konkretnych warunków terenowych i hydrologicznych. Narzędzia te uwzględniają obowiązujące normy oraz najlepsze praktyki inżynieryjne, co pozwala na optymalizację zarówno pod względem technicznym, jak i ekonomicznym. Dodatkowo, użytkownicy mogą generować szczegółowe raporty z obliczeń, co ułatwia dokumentację projektową oraz komunikację z inwestorami i organami administracyjnymi. Poniżej przedstawiamy wybrane kalkulatory platformy WaterFolder.com dedykowane projektowaniu odwodnień komunikacyjnych:

Rys. 2. Wybrane kalkulatory dedykowane projektowaniu odwodnień komunikacyjnych

Przykładowy dobór podziemnego zbiornika otwartego o funkcji retencyjno-infiltracyjnej z dodatkowym opóźnieniem odpływu wód opadowych na platformie WaterFolder.com. Wykres objętości dopływu (panel górny) i odpływu wód opadowych (panel środkowy). Panel dolny prezentuje wykres bilansu dopływu i odpływu wód opadowy, którego maksimum (857,5 m³ dla czasu 240 min) jest oszacowaniem niezbędnej objętości zbiornika.

Rys. 3. Wynik doboru zbiornika otwartego

Kolejny narzędzie to kalkulator dobór przepustowości wpustu drogowego. Narzędzie to umożliwia kalkulację wymaganej ilości wpustów punktowych ACO Combipoint wraz z kalkulacją przepustowości i charakterystyki hydraulicznej ścieków różnego typu (przykrawężnikowe, muldowe itp.).  Tego typu elementy są kluczowe w zarządzaniu wodami opadowymi na terenach urbanizowanych.

Rys. 4. Dobór przepustowości wpustu drogowego

Powyższe przykłady to tylko namiastka możliwości, jakie oferuje platforma WaterFolder.com. Dzięki jej narzędziom projektanci mogą w szybki i efektywny sposób dobierać oraz optymalizować systemy odwodnień, spełniając zarówno obecne, jak i przyszłe standardy inżynieryjne.

Podsumowując, przyszłość systemów odwodnień komunikacyjnych będzie zmierzać w kierunku inteligentnych, zintegrowanych rozwiązań. Monitoring w czasie rzeczywistym oraz systemy sterowania odpływem staną się standardem, pozwalając nie tylko na zwiększenie bezpieczeństwa użytkowników dróg i kolei, ale także na optymalizację kosztów eksploatacyjnych. Już teraz widać pierwsze kroki w tym kierunku, jak chociażby wymogi dotyczące monitoringu odwodnień kolejowych zawarte w Standardzie CPD. Technologie umożliwiające takie rozwiązania istnieją i są coraz szerzej stosowane w miejskich systemach odwodnienia, co wskazuje, że podobne podejście w infrastrukturze komunikacyjnej to jedynie kwestia czasu.

Przestawiona tematyka została omówiona na konferencji WaterFolder Day. Kolejna edycja konferencji zaplanowana jest na 24-25 czerwca we Wrocławiu.

Więcej informacji na stronie waterfolderday.com.