Wraz z rozwojem miast koniecznym stało się ich skuteczne odwodnienie. Funkcja kanalizacji deszczowej została w ten sposób sprowadzona do jak najszybszego odprowadzania ścieków opadowych z terenów o dużym uszczelnieniu do najbliższego odbiornika. Ta funkcja kanalizacji deszczowej pozostaje nadal najważniejsza, jednak wspomniany paradygmat utylitarny stwarza z biegiem czasu coraz więcej problemów, z których najistotniejsze są: przeciążanie hydrauliczne sieci kanalizacyjnej, przeciążanie hydrauliczne odbiorników płynących (rzek miejskich) oraz zanieczyszczanie odbiornika spłukiwanymi ze zlewni substancjami.

    Funkcja odwadniania terenu wydaje się oczywista, jednak mniej oczywiste jest podejście techniczne, w jaki sposób ma to być realizowane. Klasyczna kanalizacja kryta rurowa cechuje się wieloma wadami, z których należy wymienić małą elastyczność w stosunku do wzrastającego stopnia uszczelnienia zlewni, a także zmian klimatycznych i inne (tabela 1). Dlatego też, pozostawiając sieć krytą na danej zlewni, konieczne staje się często uzupełnienie jej o obiekty retencji i infiltracji do gruntu.
    W nowych rozwiązaniach urbanistycznych proponuje się czasem opcję radykalną „zero emissions”, czyli opcję zmierzającą w tym przypadku do pozostawienia całości wód opadowych w miejscu ich kontaktu z powierzchnią zlewni, pomijając przypadki skrajne opadów nawalnych. Sieć rurowa może być w ten sposób zupełnie wyeliminowana. Rozwiązanie takie jest ponadto korzystne pod względem hydrologicznym (przypomina naturalny obieg wody w przyrodzie) i w znacznym stopniu ogranicza zanieczyszczenie odbiornika. Co więcej, opcja taka niesie też korzyści dla eksploatatora systemu odwadniania oraz dla bezpośrednich użytkowników.

Funkcje ekologiczne
    W przypadku ścieków opadowych oczywiste jest, iż powstają one jako spływ powierzchniowy, a więc stanowią etap cyklu obiegu wody. Naturalną metodą zagospodarowania tego spływu byłoby więc wspomniane pozostawienie go w miejscu powstania. Niestety, w praktyce jest to na tyle trudne, że bywa rozpatrywane jedynie w przypadku braku innej możliwości odwodnienia terenu. Stosowanie krytej kanalizacji deszczowej, jako podstawowej metody odprowadzania ścieków opadowych ze zlewni, z biegiem czasu stworzyło wiele niedogodności, które w ostatnich latach nasilają się z powodu obserwowanych niekorzystnych zmian klimatycznych (tab.1).
    Ścieki opadowe powinny natomiast stanowić cenne źródło stosunkowo mało zanieczyszczonej wody, zamiast być kierowane do odbiorników w ilości przekraczającej spływ ze zlewni naturalnej, niezurbanizowanej.
    Funkcje ekologiczne w przypadku zagospodarowania ścieków opadowych można podzielić na te, które przyczyniają się do uzupełnienia wód podziemnych oraz te, które dążą do zatrzymania wody w krajobrazie i poprawy lokalnych warunków klimatycznych. Wszystkie metody, które mają to na celu, są obecnie technicznie dość łatwe do zastosowania (Słyś 2008), napotyka się jednak na szereg barier, ograniczających ich wykorzystywanie w szerokim zakresie (tabela 2).
    Jedną z podstawowych barier jest ugruntowana technologia odwadniania terenu, przyzwyczajenie i niechęć do stosowania rozwiązań powszechnie mało sprawdzonych w dłuższym okresie eksploatacji. Faktem jest np. niedocenianie i brak wiedzy na temat zanieczyszczania się obiektów służących do infiltracji ścieków opadowych do gruntu. Do oczywistej kolmatacji dna tego rodzaju urządzeń dochodzi jeszcze problem zagrożenia czystości wód podziemnych w wyniku przedostawania się do nich niektórych substancji antropogenicznych, w tym ropopochodnych i metali ciężkich. W konsekwencji stosowanie infiltracji wymaga spełnienia szeregu warunków, związanych z zapewnieniem odpowiednio grubej warstwy gruntu przepuszczalnego (ponad 1 m) powyżej zwierciadła wód gruntowych oraz odpowiedniego podczyszczania ścieków opadowych, a także niedopuszczenie do podtapiania piwnic otaczających budynków. Sytuacja taka jest z natury skomplikowana na terenie zurbanizowanym, gdzie paradoksalnie występują największe potrzeby w ograniczaniu ilości ścieków opadowych, kierowanych do kanalizacji krytej.
    Inna metoda tego ograniczania, jaką jest stosowanie dachów zazielenionych, napotyka na trudności techniczne, związane z koniecznością konstruowania wzmocnionych i szczelnych konstrukcji dachów. Niewątpliwie jednak w przypadku nowych budynków powinna być rozpatrywana, ponieważ pozwala na zatrzymanie sporej wysokości opadów intensywnych oraz poprawia komfort cieplny i akustyczny budynku, a także korzystnie wpływa na lokalny mikroklimat (Łomotowski 2008).
    Efektywne podczyszczanie ścieków opadowych może mieć miejsce przy wykorzystaniu roślin (niecek pokrytych darnią, wetlandów i pasaży roślinnych) (Obarska-Pempkowiak i in. 2010). Umożliwiają one zatrzymanie drobnych zawiesin i nutrietów, wymagają jednak sporej powierzchni.
    Istnieje także możliwość wykorzystania wody opadowej do własnych potrzeb gospodarstwa domowego lub przemysłu, zmniejszając w ten sposób pobór wody wodociągowej. Ogranicza się to jednak do przypadków jednostkowych, a podstawowy problem to kłopoty ze zbilansowaniem wody w okresach niewielkich opadów (Zawilski i Sakson 2004).
    W razie braku możliwości stosowania retencji podziemnej i infiltracji pozostaje retencjonowanie, czyli stosowanie retencji powierzchniowej, w tym na ciekach będących odbiornikami ścieków opadowych. System ten stosuje się np. w Łodzi, wykorzystując retencję ścieków opadowych w korytach rzek miejskich. Stwarza to możliwości renaturyzacji tych cieków, uprzednio zaniedbanych lub nadmiernie uregulowanych. Podobny system funkcjonuje z powodzeniem na terenie Trójmiasta
(Chudziak 2010).

Tab. 1. Wybrane niedogodności stosowania krytej kanalizacji deszczowej.

Aspekty ekonomiczne i prawne
    Do zasadniczych czynników, decydujących o wyborze metody odwodnienia terenu, należy czynnik ekonomiczny. Przyjęcie nowych metod w tym zakresie wymaga udowodnienia, iż nie podniosą one zasadniczo kosztów budowy i eksploatacji, a nawet będą tańsze od rozwiązań tradycyjnych. W tym przypadku należy przede wszystkim dążyć do rzetelnego rachunku kosztów. W przypadku nakładów inwestycyjnych, oprócz kosztów robót budowlanych, należy się często liczyć z wykupem terenu pod urządzenia służące do retencji lub infiltracji, a w razie realizacji inwestycji na terenie prywatnym w grę może wchodzić interes właściciela oraz jego zamiary zagospodarowania działki. Czynnikiem pomocnym w tym względzie powinny być opłaty za odprowadzanie ścieków opadowych. W razie zatrzymywania ścieków opadowych na terenie działki jej właściciel może bowiem liczyć na zwolnienie z tej opłaty. Jednocześnie wnoszone opłaty, które zostałyby sprawiedliwie naliczone, zasilają fundusz inwestycji rozbudowy systemu odwadniania.
    Jak pokazuje praktyka, eksploatacja nowoczesnych urządzeń do zagospodarowania ścieków opadowych wiąże się z ponoszeniem pewnych kosztów i zaangażowania wyspecjalizowanych firm. Chodzi tu o prace związane z utrzymaniem skarp zbiorników, czyszczenia ich z osadów, usuwaniem odpadów, konserwacją elementów konstrukcyjnych.
    Niejasność w zakresie eksploatacji kanalizacji deszczowej i koryt odbiorników prowadzi do niedomogów funkcji, jakie te obiekty powinny pełnić. Nie służy temu np. przypisanie kanalizacji deszczowej do instytucji zajmujących się drogownictwem oraz brak środków na utrzymanie koryt odbiorników w dobrym stanie technicznym i ekologicznym.
    Pod względem ekologicznym ograniczenie zakresu kontrolowanych wskaźników zanieczyszczeń w polskim prawodawstwie do zawiesin ogólnych (100 mg/l) oraz ropopochodnych (15 mg/l) w przypadku odprowadzania ścieków opadowych do odbiorników płynących jest dyskusyjne, gdyż nie ujmuje innych wskaźników, np.
metali ciężkich (Rozporządzenie 2006). W razie przyjęcia opcji infiltracji do gruntu dwa powyższe ograniczenia również obowiązują, nie jest jednak do końca poznany mechanizm zatrzymywania zanieczyszczeń w gruntach o różnej charakterystyce oraz w ich warstwie ożywionej. A może wchodzić w grę niebezpieczeństwo skażenia
rezerwuarów wód podziemnych. W stosunku do metali ciężkich brak przepisów ograniczających, a wiadomo, iż nawet obecnie kieruje się powszechnie do gruntu odpływy z dachów, pokrytych materiałami metalowymi. Należy też zaznaczyć, że wymagania dotyczące kontroli poziomu zanieczyszczeń dotyczą tylko powierzchni uznanych za zanieczyszczone (centra miast, tereny przemysłowe, bazy paliw itp.), przy czym, poza drogami i parkingami, zaliczenie danego terenu do tej grupy jest czynione w sposób zupełnie dowolny.

Tab. 2. Charakterystyka wybranych urządzeń do oczyszczania ścieków opadowych.

Problemy monitoringu i modelowania
    Właściwa ocena funkcjonowania systemu odwodnienia wymaga dysponowania chociażby podstawowymi danymi pochodzącymi z monitoringu ilościowego i jakościowego.
    Najczęściej system kanalizacji deszczowej jest pozbawiony jakiegokolwiek monitoringu, który powinien polegać na rejestrowaniu opadów i odpływów w połączeniu z inwentaryzacją sieci i zagospodarowania zlewni. Rzetelny monitoring może posłużyć do wdrożenia modelu cyfrowego systemu, dającego podstawę do racjonalnej oceny jego przepustowości, wytypowania „wąskich gardeł” oraz opracowania wiarygodnych planów modernizacji i rozbudowy. Brak danych z monitoringu, czyli z kolei modele cyfrowe nieprzydatne z powodu braku możliwości oceny błędu modelowania (Kleidorfer i in. 2008).
    O ile jednak monitoring ilościowy bywa czasem wdrażany, o tyle znajomość składu ścieków, odpływających do odbiornika z terenu danej zlewni, jest nierzadko bliska zeru. Analiza prób pobranych rzadko i przypadkowo przy okazji zjawisk opadowych o różnej charakterystyce daje wypaczony obraz sytuacji i nie pozwala na wyciąganie wniosków. Oczywiście skład ścieków opadowych zależy w dużej mierze od intensywności oczyszczania zlewni i ogólnie od utrzymania na niej porządku, co leży poza kompetencjami eksploatatora systemu odwodnieniowego.
    Obecnie badania krajowe dotyczące wymiarowania systemów odwodnienia skupiają się przede wszystkim na weryfikacji charakterystyk opadów (Kotowski 2012) oraz ich przestrzennego rozkładu (Zawilski 2012). Okazuje się np., że stosowana przez wiele lat formuła Błaszczyka na natężenie opadu miarodajnego do wymiarowania kanalizacji jest zaniżona co najmniej o 40%, a nowe, bardziej wiarygodne formuły obliczeniowe, nie są jeszcze w powszechnym użyciu, a nawet w świadomości projektantów.
    Nadal nie najlepiej wygląda zbieranie informacji na temat niezawodności hydraulicznej systemów kanalizacji deszczowej. Większość danych na temat wylań podczas silnych opadów nie trafia do specjalnych baz danych, parametry hydrauliczne kanałów w tych okresach, jak już wspomniano, także nie są mierzone i zapisywane.
    Nawet tak podstawowa rzecz, jak poprawne konstruowanie modelu hydraulicznego zlewni i sieci na zasadzie ich integracji, nadal jest kontrowersyjna (Zawilski 2010, Skotnicki i Sowiński 2011). Można mieć nadzieję, że rozwój GIS na potrzeby systemów kanalizacyjnych oraz wdrażanie modeli cyfrowych pozwoli tę lukę wypełnić (Nie 2002). Zastosowanie modeli cyfrowych ma zasadniczą przewagę w przypadku analizy systemów kanalizacyjnych: umożliwia modelowanie w dłuższych okresach i uwzględnienie następstwa zjawisk; jest to szczególnie przydatne w razie obecności takich obiektów, jak przelewy burzowe i zbiorniki retencyjne.

Rys.1.
Schemat zastosowania nowych technik zagospodarowania ścieków opadowych (Linie ciągłe – techniki preferowane, linie przerywane – techniki możliwe do zastosowania w sprzyjających okolicznościach).

 

Systemy nowe i istniejące
    W przypadku budowy nowych systemów do rozważenia pozostaje rezygnacja z krytej kanalizacji rurowej na rzecz lokalnego zagospodarowania ścieków opadowych
(rys.1). Należy zauważyć, że nie powinna być błędnie rozumiana angielska nazwa tej grupy obiektów, a mianowicie „BMP - best management practices”, która oznacza dosłownie praktyki najlepsze w eksploatacji. Nie oznacza ona tego, iż urządzenia te działają sprawnie bez jakiegokolwiek nadzoru i nakładów na prace eksploatacyjne (patrz uwagi podane wyżej). Z doświadczeń autora wynika także, iż nowe rozwiązania nie muszą być droższe w wykonaniu, a w perspektywie poprawiają warunki środowiska i są pozytywnie odbierane przez mieszkańców. Problem kłopotów związanych z pozyskiwaniem terenu i zgody właścicieli nieruchomości można także rozwiązać w sposób stosowany w innych krajach. Mianowicie takie obiekty, jak urządzenia do retencji i infiltracji, stanowią integralny element nowego osiedla, projektowany wcześniej i sprzedawany jako gotowy wraz z pozostałą infrastrukturą i zabudową na działkach budowlanych.
    Trudny problem stanowi natomiast modernizacja istniejących systemów odwadniania terenu. Mamy tu do czynienia zazwyczaj z kanalizacja krytą, ułożoną w jezdni lub w jej pobliżu, wykonaną z rur betonowych o niezbyt szczelnych połączeniach odcinków rur i kierującą ścieki opadowe bezpośrednio do najbliższego odbiornika płynącego. W tej sytuacji stosowanie nowoczesnych obiektów zagospodarowania ścieków opadowych wiąże się przede wszystkim ze znalezieniem miejsca w terenie zabudowanym (na powierzchni terenu lub w gruncie) oraz dokonaniu uzgodnień w zakresie spraw własnościowych. Jak wynika z analiz modelowych i danych zagranicznych, należy się liczyć z koniecznością zastosowania obiektów retencji o wskaźniku globalnym rzędu 50 m3/ha zr, co jest wartością znaczną. Przyjęcie wskaźnika mniejszego rzadko daje spodziewany efekt w postaci zmniejszenia obciążenia hydraulicznego sieci i odbiornika.
    Kontrowersyjną sprawą jest stosowanie separatorów ropopochodnych. Jak wynika z własnych obserwacji autora i literatury, zanieczyszczenie ścieków opadowych substancjami ropopochodnymi jest obecnie niewielkie i do rzadkości należą przypadki przekroczenia normatywnej wartości 15 mg/l. Dlatego też montaż tych obiektów na typowych wylotach kanalizacji deszczowej, obsługujących większość zlewni, poza specyficznymi (bazy paliw, większe parkingi, niektóre tereny przemysłowe), mija się z celem. Typowy separator, złożony z osadnika i komory akumulacyjnej ropopochodnej, działa głównie jako urządzenie eliminujące zawiesiny. Tę funkcję jednak lepiej spełniają separatory wirowe hydrodynamiczne.

* * *

    Zmiana paradygmatu odwodnienia terenu z szybkiego odprowadzania ścieków opadowych do odbiornika na rzecz ich zagospodarowywania w miejscu powstawania
jako źródła wody niesie za sobą znaczące korzyści ekologiczne. Wymaga jednak wysiłków organizacyjnych, zmierzających do wdrażania nowoczesnych urządzeń oraz prac badawczych, wyjaśniających problemy eksploatacyjne oraz wpływ nowych rozwiązań na środowisko. Po pewnym czasie stanie się możliwe sprecyzowanie przepisów prawnych w tym zakresie.
    Równocześnie należy się spodziewać rozwoju systemów monitoringu opadów i spływów oraz udoskonalenia metod projektowania, w tym opartych w szerszym zakresie o sprawdzone i zweryfikowane modele cyfrowe.

Literatura
[1] Chudziak A. (2010): Gdański system odwodnieniowy, Wodociągi i Kanalizacja, cz. I, nr 4, cz. II, nr 5.
[2] Geiger W., Dreiseitl H. ( 1999): Nowe sposoby odprowadzania wód deszczowych, Projprzem-EKO.
[3] Kleidorfer M., Deletic A, Fletcher T.D and Rauch W. (2008): Impact of input data uncertainties on stormwater model parameters, Proc. of the 11th Int. Conf. on Urban Drainage, Edinburgh.
[4] Kotowski A. (2012): Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnień terenów, wyd. Seidel-Przywecki.
[5] Łomotowski J. (red.) (2008): Problemy zagospodarowania wód opadowych, I Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna z cyklu „Modelowanie procesów hydrologicznych” 20-21 listopada 2008 roku, Wrocław, rozdział: Zielone dachy, 11-85.
[6] Nie L., Schilling W., Killingtveit A., Saegrov S., Selseth I. (2002): GIS Based Urban Drainage Analyses and Their Preliminary Applications in Urban Stormwater Management, Proc. of the 9th Int. Conf. on Urban Drainage, Portland.
[7] Obarska-Pempkowiak H., Gajewska M., Wojciechowska E. (2010): Hydrofitowe oczyszczanie wód i ścieków, PWN.
[8] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi…, Dz. U. Nr 137, poz. 984.
[9] Schaarup-Jensen K., Rasmussen M. R., Thorndahl S . (2008): To what extent does variability of historical rainfall series influence extreme event statistics of sewer system surcharge and overflows?, Proc. of the 11th Int. Conf. on Urban Drainage, Edinburgh.
[10] Słyś D. (2008): Retencja i infiltracja wód deszczowych, Wyd. Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów.
[11] Skotnicki M., Sowiński M. (2011): Dokładność odwzorowania stopnia uszczelnienia zlewni cząstkowych w modelowaniu odpływu ze zlewni miejskiej, VII Zjazd Kanalizatorów Polskich POLKAN 2011.
[12] Zawilski M., Sakson G. (2004): Systemy wykorzystywania wody deszczowej i ich wpływ na funkcjonowanie kanalizacji miejskiej, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna”, 9, 302-306.
[13] Zawilski M., Sakson G. (2007): Efekt zastosowania obiektów retencji na rzeczywistej zlewni miejskiej kanalizacji ogólnospławnej, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna”, 2007, 2, 10-14.
[14] Zawilski M. (2010): Integracja zlewni zurbanizowanej w modelowaniu
spływu, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna”, 6, 28-32.
[15] Zawilski M., Sakson G. (2010): Modelowanie ilości ścieków opadowych przy wykorzystaniu programu SWMM, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna”, 11, 32-35.
[16] Zawilski M. (2012): Analiza obciążenia hydraulicznego systemu kanalizacyjnego w skali dużej zlewni miejskiej, Mat. z konferencji „Infraeko”, Kraków.

Autor: dr hab. inż. Marek Zawilski, Instytut Inżynierii Środowiska Politechniki Łódzkiej

Artykuł został opublikowany w magazynie "Ochrona Środowiska" nr 5/2012

Źródło fot.: www.sxc.hu