Rzetelne modelowanie zaczyna się od hietogramu
Beata Ciszewska, RetencjaPL
Współczesne projektowanie systemów odwodnienia wymaga coraz większej precyzji. Już nie wystarczy określić, ile deszczu spadnie – równie istotne staje się to, w jaki sposób ten opad jest rozłożony w czasie.
To właśnie rozkład intensywności deszczu decyduje o tym, czy sieć kanalizacyjna poradzi sobie z przepływem, czy też dojdzie do przeciążenia i wylewania. Aby tę dynamikę uchwycić, projektanci sięgają po narzędzie, które stało się nieodłącznym elementem nowoczesnego modelowania hydrodynamicznego – hietogram.
Czym jest hietogram?
Hietogram to graficzne odwzorowanie deszczu – wykres przedstawiający intensywność opadu w funkcji czasu. Pozwala zrozumieć, jak objętość deszczu rozkłada się w kolejnych minutach zdarzenia: kiedy następuje na przykład faza narastania, moment kulminacyjny lub spadek natężenia. Taki opis przebiegu opadu jest znacznie bardziej użyteczny niż sama informacja o jego całkowitej sumie, ponieważ umożliwia realistyczne odwzorowanie reakcji systemu kanalizacyjnego na zmienne obciążenia hydrauliczne.
Pierwsze próby wykorzystania hietogramów w praktyce pojawiły się w latach 70. XX wieku wraz z rozwojem komputerowych modeli kanalizacji deszczowej, takich jak SWMM (Storm Water Management Model). Początkowo, ze względu na ograniczenia techniczne komputerów i brak danych pomiarowych, stosowano głównie syntetyczne deszcze modelowe – rozkładane w czasie prostymi metodami deterministycznymi, najczęściej według modelu Eulera typ II lub w formie opadów blokowych o stałej intensywności. Z czasem jednak stało się jasne, że takie podejście jest zbyt dużym uproszczeniem. Rzeczywiste opady cechują się dużą zmiennością, dlatego coraz większe znaczenie zaczęły mieć hietogramy oparte na danych pomiarowych, wierniej odzwierciedlające lokalne warunki opadowe.
Rodzaje hietogramów
W praktyce inżynierskiej stosuje się kilka typów hietogramów, różniących się sposobem przedstawienia przebiegu opadu:
- blokowe – o stałej intensywności przez cały czas trwania; najprostsze, lecz najmniej realistyczne,
- Eulera (typ II) –z kulminacją w ok. 1/3 zdarzenia, tworzony z krzywych IDF bądź DDF, a więc hietogram syntetyczny; szeroko stosowany w wytycznych niemieckich,
- DVWK – z mniej zróżnicowanym przebiegiem (3 fazy), z kulminacją wyrażoną jako 50% sumy danego opadu spadającej między 30 a 50% czasu trwania tego opadu,
- lokalne – tworzone na podstawie rzeczywistych danych o deszczach; obecnie uznawane są za najbardziej wiarygodne w analizach hydrodynamicznych, lecz najtrudniejsze do pozyskania.
To właśnie te ostatnie hietogramy, oparte na pomiarach, umożliwiają modelowanie zbliżone do rzeczywistych warunków w jakich funkcjonuje infrastruktura odwodnieniowa.
Przewaga nad klasycznymi rozkładami
Na tle prostych deszczy blokowych czy schematów teoretycznych hietogramy wzorcowe mają wyraźną przewagę:
- opierają się na danych pomiarowych,
- uwzględniają różnorodność scenariuszy opadowych – od gwałtownych deszczy nawalnych aż po długotrwałe opady frontalne,
- lepiej oddają lokalną specyfikę klimatyczną,
- pozwalają uzyskać bardziej realistyczne wyniki symulacji hydrodynamicznych.
Dzięki nim projektant może przetestować kilka wariantów przebiegu opadu miarodajnego, zamiast polegać na jednym „uniwersalnym” deszczu. Jest to szczególnie istotne przy projektowaniu obiektów retencyjnych, przelewów burzowych czy zbiorników, gdzie moment kulminacji przepływu decyduje o poprawnym działaniu systemu.
Jak powstały hietogramy wzorcowe?
Rozwój baz danych, takich jak Polski Atlas Natężeń Deszczów (PANDa), oraz nowoczesnych narzędzi projektowych umożliwił prowadzenie badań nad rozkładem opadu w czasie. Na tej podstawie opracowano metodykę klasyfikacji i grupowania deszczów, co pozwoliło wyodrębnić kilka wzorców reprezentujących zróżnicowane przebiegi zjawisk opadowych. Efektem tych prac są hietogramy wzorcowe, których opracowanie przebiegało w czterech etapach:
- wydzielenie ponad 31 tysięcy deszczy nawalnych z trzydziestoletnich rejestracji,
- normalizacja przebiegów czasowych względem całkowitej długości trwania,
- grupowanie (klasteryzacja) metodą analizy skupień,
- wyznaczenie uśrednionych wzorców dla 100 obszarów Polski.
W efekcie powstał zestaw hietogramów o lokalnym charakterze, wiernie odzwierciedlających specyfikę klimatyczną poszczególnych części kraju. To rozwiązanie znacząco zwiększa dokładność modelowania opadów w skali miejskiej i regionalnej.
Fot. Hietogram wzorcowy typ 1 dla Poznania dla czasu trwania 30 min oraz częstości C=10 lat (prawdopodobieństwo p=10%) [1]
Kierunek rozwoju inżynierii odwodnienia
Hietogramy wzorcowe to istotne wsparcie w ocenie odporności infrastruktury na ekstremalne zjawiska opadowe. W sytuacji coraz częstszych i bardziej intensywnych deszczy krótkotrwałych pozwalają sprawdzić, jak system kanalizacji poradzi sobie w warunkach zbliżonych do rzeczywiście obserwowanych w danym rejonie. Wraz z rozwojem narzędzi cyfrowych pojawiła się możliwość wykorzystania hietogramów wzorcowych bezpośrednio w procesie modelowania hydrodynamicznego.
Platformy takie jak WaterFolder Connect, które wykorzystują hietogramy wzorcowe, umożliwiają:
- wierniejsze odwzorowanie dynamiki opadów,
- analizę scenariuszy dopasowanych do realiów regionalnych,
- symulację wielu wariantów tego samego opadu,
- uzyskanie bardziej wiarygodnych wyników modelowania.
Dzięki temu hietogramy wzorcowe stają się jednym z filarów nowoczesnego projektowania systemów odwodnienia, lepiej przystosowanego do wyzwań wynikających z coraz większej zmienności klimatu i rosnącej intensywności zjawisk pogodowych.
WaterFolder Connect – unikalna platforma łącząca badania i praktykę projektową
Platforma WaterFolder Connect to rozwiązanie unikatowe w skali Polski – jako jedyna integruje wyniki autorskich badań nad hietogramami wzorcowymi, opracowanych na podstawie danych z Polskiego Atlasu Natężeń Deszczów. To, co wyróżnia ją na tle innych narzędzi, to bezpośrednie wykorzystanie rezultatów badań prowadzonych przez zespół ekspertów RetencjaPL. Dzięki temu projektanci otrzymują dostęp do empirycznych, zweryfikowanych danych opadowych oraz mogą prowadzić modelowanie w oparciu o rzeczywiste przebiegi deszczy charakterystyczne dla poszczególnych regionów kraju. Takie podejście sprawia, że WaterFolder Connect nie jest jedynie narzędziem do symulacji, lecz także kompleksową platformą badawczo-projektowa, łącząca naukę, dane i praktykę inżynierską w jednym miejscu.
WaterFolder Connect w intuicyjny sposób wspiera projektantów i inżynierów w tworzeniu symulacji i optymalizacji systemów odwodnienia. Cały proces odbywa się w kilku prostych krokach – od zaprojektowania modelu bezpośrednio w lokalizacji inwestycji, poprzez symulację opadów z wykorzystaniem danych PANDa i hietogramów wzorcowych, aż po dobór urządzeń oraz analizę wyników. Dzięki pracy w chmurze narzędzie nie wymaga instalowania specjalistycznego oprogramowania ani posiadania wydajnego sprzętu – jest dostępne dla każdego biura projektowego, niezależnie od skali inwestycji. Platforma łączy w sobie modelowanie hydrodynamiczne, pracę na mapach z aktualnymi danymi przestrzennymi oraz elastyczne zarządzanie scenariuszami opadowymi, co czyni ją jednym z najważniejszych narzędzi w projektowaniu infrastruktury odwodnieniowej.
Fot. Wybór scenariuszy opadu na platformie WaterFolder Connect – hietogramy uzyskane na podstawie danych z PANDa
Znaczenie dla przyszłości systemów odwodnienia
Hietogramy wzorcowe, opracowane na podstawie danych z projektu PANDa, stanowią dziś pomost między światem badań a praktyką inżynierską. Dzięki nim projektowanie systemów odwodnienia przestaje być oparte na założeniach teoretycznych, a staje się procesem wykorzystującym rzeczywiste dane opadowe i analizy statystyczne. Połączenie empirycznej wiedzy o deszczach, nowoczesnych narzędzi cyfrowych oraz platform takich jak WaterFolder Connect pozwala tworzyć rozwiązania dopasowane do lokalnych warunków i odporne na rosnącą dynamikę zjawisk pogodowych.
Takie podejście zwiększa niezawodność projektowanych systemów, ponieważ umożliwia dokładniejsze odwzorowanie przebiegu opadów, a jednocześnie pozwala optymalizować koszty inwestycji i eksploatacji dzięki lepszemu dopasowaniu infrastruktury do rzeczywistych warunków opadowych.
To nowy standard w inżynierii odwodnienia — projektowanie oparte na danych, które nie tylko podnosi bezpieczeństwo infrastruktury, lecz także wspiera zrównoważony rozwój miast i ich adaptację do przyszłych wyzwań.