W potocznym rozumowaniu (w praktyce umotywowanym w polskim prawie utożsamianiem melioracji z melioracjami rolnymi) retencja rozumiana jest jako ochrona przeciwpowodziowa. W ślad „uśredniając” warunki terenowe zaleca się zbiorniki retencyjne przede wszystkim na obszarach południowej Polski, w górach i na wyżynach. Tymczasem np. charakterystyczne wzniesienia morenowe (na obszarach miast różnice poziomu terenu od ponad 100 m do nawet ponad 200 m) na obszarach północnych powodują, że mamy tam do czynienia niemal z warunkami górskimi. Pozostaje zagadnieniem otwartym – sytuacja odnosząca się do terenów płaskich, charakterystycznym przykładem narastania problemów może być Potok Służewiecki w Warszawie szeroko reprezentowany m.in. na forach internetowych, co potwierdza znaczenie problemu.
    Jednak, wychodząc poza zakres tradycyjnych melioracji widać, że element „retencji” wód opadowych jest niezwykle ważny na obszarach zurbanizowanych. W szczególności:
• na obszarach zurbanizowanych mamy do czynienia z postępującym uszczelnianiem powierzchni przyspieszającym spływ wód opadowych do odbiorników;
• w aspekcie ekologicznym tradycyjne kanalizowanie wód opadowych zaburza naturalne procesy krążenia wody w przyrodzie;
• wzrastający spływ wód opadowych z obszarów zurbanizowanych (obecnie to ok. 80% opadu) stwarza problemy dla istniejących urządzeń;
• w aspekcie technicznym bardzo trudne jest dostosowanie posiadanych urządzeń do narastających obciążeń;
• w aspekcie technicznym pojawia się problem nadmiernych obciążeń odbiorników wód opadowych, w efekcie generowane są zagrożenia powodziowe;
• w aspekcie ekonomicznym – skuteczne tradycyjne kanalizowanie generuje stale narastające koszty dla lokalnych budżetów, bo w polskim stanie prawnym nie ma innych możliwości finansowania.
    Ostatecznie zagadnienia związane z rozsądnym zagospodarowaniem wód opadowych nabierają znaczenia strategicznego dla normalnego funkcjonowania obszarów zurbanizowanych.

Problemy oceny ilościowej
    Zagadnienia retencji wód pochodzenia opadowego na obszarach zurbanizowanych należą do strategicznych problemów funkcjonowania osadnictwa. Zasadniczym problemem jest postępujące uszczelnianie powierzchni zlewni na obszarach zurbanizowanych [8]. Równocześnie wzrasta intensywność opadu nawalnego decydująca o warunkach technicznych. Ilość wód opadowych określa zależność

gdzie q – natężenie deszczu obliczeniowego, F – powierzchnia zlewni, ψ – współczynnik spływu.
    Wprawdzie wielkość rocznego opadu nie musi się zmieniać, jednak koncentruje się on w krótszych okresach i w efekcie wzrasta wartość q. Wartość F może się zwiększać w miarę przyłączania nowych obszarów, wartość ψ rośnie jednoznacznie (dla ostatnich ok. 20 lat przyrost jej można oszacować na 30÷40%, w dużych miastach dla całego obszaru miejskiego ψ > 0,7, raczej ψ ≈0,8). Sytuacją normalną jest wzrost spływu i dezaktualizacja założeń projektowych. Są to zjawiska obiektywne i praktycznie nie do uniknięcia, paradoksem jest wyższa trafność ocen sprzed ponad 100 lat niż znacznie późniejszych [3].
    Każda ocena ilościowa dotycząca wód opadowych jest obciążona istotnym błędem [10]. Można natomiast dążyć do dokładniejszej ilustracji występujących procesów [5], jednak system gromadzenia, przetwarzania i udostępniania danych meteorologicznych w Polsce jest tu istotną przeszkodą. Równocześnie w obliczeniach powszechnie stosowany jest tzw. wzór Błaszczyka, w świetle badań lokalna zależność mało wiarygodna, dająca zaniżone oceny wartości q [4].
    Wtórne konsekwencje zmian odpływu wód opadowych przy ich tradycyjnym kanalizowaniu to [8], [9]:
• pogłębianie zakłóceń w obiegu wody w przyrodzie (w naturalnym bezpośrednio do odbiornika wodnego trafia ok. 10% opadu, w zlewni zurbanizowanej nawet 80-90%),
• gwałtowne zwiększenie stanów odbiorników, w konsekwencji propagacja zjawisk powodziowych,
• systematyczne zwiększanie obciążeń hydraulicznych istniejących elementów systemów zagospodarowania wód opadowych.

    W przypadku kanalizacji ogólnospławnej występuje dodatkowe zagrożenie nadmiernie częstego włączania się przelewów burzowych. W skrajnych warunkach pracują one również w okresach suchych, odprowadzając do odbiornika ścieki bez oczyszczania. Niezależnie od konsekwencji ekologicznych kontynuacja tradycyjnej polityki bez pogorszenia warunków funkcjonowania osadnictwa jest niemożliwa, bo: adaptacja rozwiązań do zmieniających się warunków jest kosztowna i często praktycznie niemożliwa, negatywne zjawiska będą się coraz częściej powtarzać.

Rys. 1. Układ zlewni kanalizacji rejonu Warszawy: 1 – ogólnospławna, 2 – rozdzielcza, 3 – mieszana [11]

    Ostatecznie może okazać się niezbędne wyłączanie obszarów z użytkowania. Równocześnie zmienia się filozofia projektowania, zmierza ona do zapewnienia użytkownikowi minimalnego komfortu. Jest ona reprezentowana przez normę PN-EN 752-1 [7], w zredukowanej postaci wytyczną ATVA118 (1999) [2].
    Jedynym racjonalnym rozwiązaniem pozostaje powiększenie zdolności retencyjnych zlewni obszarów zurbanizowanych [1], [6], [9]. Możliwe jest tu:
• wydłużenie czasu odpływu wody poprzez zatrzymanie jej spływu w zbiornikach,
• ułatwienie przesiąkania wody do podłoża gruntowego,
• równoległa realizacja obu funkcji.

    Zatrzymanie i skierowanie wody do innego użytkowania jest może efektowne, jednak technicznie mało efektywne. Ponadto, szczególnie na terenach zurbanizowanych, bardzo aktualny staje się problem braku rezerwy terenu dla tradycyjnych zbiorników. Polskie warunki klimatyczne nie pozwalają poważnie traktować zbiorników odparowujących. Problem mgieł i szadzi ogranicza celowość stosowania zbiorników otwartych w sąsiedztwie ważniejszych dróg.

Specyficzne problemy warszawskie
    Kanalizacja Warszawy pracuje w charakterystycznym układzie przestrzennym, ukształtowanym przez warunki historyczne (rys. 1 – [11], [12]). Kanalizacja na prawym (wschodnim) brzegu Wisły funkcjonuje w systemie mieszanym: starsza – obszary z ogólnospławnej, nowsze – z rozdzielczej. Na lewym (zachodnim) brzegu najintensywniej zagospodarowany obszar śródmiejski posiada kanalizację ogólnospławną. Nowe osiedla na południu miasta funkcjonują w systemie rozdzielczym. Na zachodzie miasta osiedle Ursus przyłączone jest do kanalizacji Pruszkowa. Obecność kanalizacji ogólnospławnej na znacznej części obszaru aglomeracji stwarza dodatkowe zagrożenie wód odbiornika wodami z przelewów burzowych.
    Elementem nadrzędnym jest to, że cała aglomeracja warszawska należy do zlewni Wisły. Kanalizowanie wód opadowych w mieście istotnie wpływa na warunki przepływu w ciekach lokalnych, ostatecznie kończących się w Wiśle. Prawy, istotnie niższy, brzeg jest wrażliwy na zmiany stanów wody Wisły. Wprawdzie istnieją obwałowania ochronne, jednak przy wyższych stanach Wisły pojawia się charakterystyczna cofka (rys. 2). Przez wyloty i później wpusty woda zalewa niżej położone tereny. Znajdują się na nich m.in. bardzo ważne elementy systemu komunikacji. Praktycznym rozwiązaniem może tu być odpowiednia separacja kanalizacji funkcjonującej na wyżej położonych terenach i w strefi e bezpośredniego zagrożenia. Odpływ z terenów nisko położonych przy podwyższonych stanach powinien być zatrzymany w zbiorniku, względnie przetłaczany – powstanie wówczas układ polderu.
    Na obszarach, na których funkcjonuje kanalizacja ogólnospławna, pojawiają się zagrożenia na niższych kondygnacjach. Stan całkowitego opróżnienia i całkowitego wypełnienia połączonego z wylaniem są takimi samymi stanami eksploatacyjnymi każdej kanalizacji prowadzącej wody opadowe. Stąd o poziomie „bezpiecznym” można mówić jedynie w odniesieniu do poziomu ulicy (rys. 3).
    Problem można rozwiązać głównie przez odpowiednie zastosowanie zamknięć przeciwcofkowych. Konieczne jest wówczas zerwanie z tradycyjnymi schematami zabezpieczeń i instalacji domowych. Nowe rozwiązania pozwalają w miarę łatwo rozwiązać wszystkie problemy.
     Kolejnym problemem są potoki istniejące na terenie miasta, są one odbiornikami pośrednimi wód opadowych. W obecnych warunkach nie posiadają one dostatecznej rezerwy przepustowości. Pierwsze zjawiska powodziowe mogą wystąpić w dość znacznej odległości od głównego odbiornika rzeki Wisły, przepływy są bliskie krytycznym. Problem odnosi się również do obszarów o względnie mniejszej intensywności użytkowania. Dodatkową konsekwencją jest częsta możliwość zagrożenia obszarów o wyjątkowej wartości.
    Ostatecznie na obszarze aglomeracji warszawskiej brak jest warunków dla kontynuacji kanalizowania wód opadowych. Konieczne są różne działania dostosowane do lokalnych możliwości. W sytuacji, gdy wkrótce zostanie uporządkowany problem oczyszczalni ścieków wody opadowe stają się zagadnieniem strategicznym. Atrakcyjność terenów budowlanych i względy w ostatecznym efekcie prowadzą do dalszego uszczelniania powierzchni zlewni. Problem ten jest aktualny również w odniesieniu do wielu osiedli ekologicznych.

Rys. 2. Zjawisko cofki pod wpływem wysokich stanów wody w Wiśle

Retencja połączona z infiltracją
    W warunkach warszawskich retencja połączona z infiltracją znalazła zastosowanie przede wszystkim na obszarach południowych, w warunkach zabudowy rozproszonej i o obniżonej intensywności. Interesujące doświadczenia uzyskano w trakcie działań podjętych w zlewni Potoku Służewieckiego (w zlewni rzeki Wilanówki). Efektem jest podjęcie programu dla osiedli, tradycyjne rozwiązania ochrony przed powodzią okazały się zbyt kosztowne. W rozwiązaniach alternatywnych wykorzystano zarówno materiały naturalne (żwir, piasek), jak i skrzynki rozsączające [9].
    W warunkach, gdy całość wód deszczowych jest wprowadzana do gruntu (brak kanalizacji deszczowej, jakiegokolwiek wodnego odbiornika spływów deszczowych) do odwodnienia ulic wewnętrznych zastosowano system infiltracji podziemnej przy użyciu rur perforowanych z obsypką żwirową stanowiącą również zbiornik retencyjno-infiltracyjny konieczny ze względu na słabą przepuszczalność gruntu. Uliczne wpusty deszczowe podłączone są do studni rewizyjnych na drenażach rozsączających wodę.
    Na kolejnym osiedlu wybudowano system infiltracji wód deszczowych do gruntu z odciążeniem do przebiegającego po granicy osiedla kanału melioracyjnego. Część wybudowanego systemu odwadniającego ulice oraz dachy od strony ulic pracuje od 1997 r. bez awarii, natomiast odprowadzanie wód opadowych do wnętrza o powierzchni 0,78 ha zostało źle wykonane, pracowało wadliwie powodując zalewanie piwnic, musiało być poprawiane.
    W przypadku użycia elementów do infiltracji aktualny pozostaje problem dostosowania użytego urządzenia do konkretnych warunków. W szczególności nie sprawdzają się studnie chłonne, a użycie skrzynek powinno być uzależnione od realnych obciążeń zewnętrznych. Podłoże gruntowe powinno posiadać dostateczną zdolność do przejęcia spływów. Użyte materiały (obsypka, geotkanina) muszą być dostosowane do warunków lokalnych i odpowiadać charakterystycznym wymaganiom producenta. Rozwiązaniem alternatywnym dla skrzynek są komory charakteryzujące się szeregiem korzystnych rozwiązań [9].

Rys. 3. Strefa bezpieczna: a – kanalizacja sanitarna, b – (dowolna) kanalizacja prowadząca wody opadowe

Retencja – zbiorniki rurowe
    Ogólna koncepcja retencyjnego zbiornika rurowego znana jest już od dość dawna [8], aczkolwiek pewne ograniczenie stanowiły tu zagadnienia materiałowe. Zbiornik rurowy opiera się na rurociągu o relatywnie dużej średnicy (min. 1000 mm) i odpowiedniej długości. Alternatywą są krótsze zbiorniki zbudowane z równoległych krótszych rurociągów.
    W odwodnieniach warszawskich systemów komunikacyjnych stosowane są zbiorniki rurowe konstruowane przy użyciu wielkośrednicowych rur GRP (klasa ciśnienia PN1, klasa sztywności 10000, DN 1800, 2000, 2400 lub 3000 mm, studzienka na zbiorniku DN 1200 mm). Ogólną zasadę konstrukcji warszawskiego zbiornika rurowego pokazano na fot. 1 i rys. 4. Zadaniem zbiorników jest obok retencji częściowe podczyszczenie (sedymentacja, flotacja, uśrednienie) wód opadowych. Wymiary oraz ustawienie studzienki rewizyjnej (rys. 5) pozwalają na prowadzenie normalnej eksploatacji. Wyjątek stanowią zbiorniki oparte na komorach względnie skrzynkach o zmodyfikowanej konstrukcji.
    W okresie 2009÷2011 w Warszawie wykonano w wykopie otwartym zbiorniki rurowe o łącznej długości 3,3 km. W ramach projektu przebudowy al. Jerozolimskich wykonano 2 zbiorniki (DN 2400, długość 90 m i DN 2000, długość 22 m) o łącznej pojemności 440 m3. Rury układano na głębokości 4,8 m w trudnych warunkach gruntowo-wodnych (zwierciadło wody gruntowej ok. 0,3 m ponad poziomem posadowienia), w gruncie trudno zagęszczalnym.
    Kolejne zbiorniki zrealizowano w Warszawie w ramach odwodnień dróg szybkiego ruchu S2 i S79. Odwodnienie drogi S2 obejmuje 11 zbiorników skonstruowanych na bazie rur DN3000 o łącznej długości 2,5 km i pojemności jednostkowej w granicach 650÷3500 m3, łącznie są one w stanie zatrzymać ponad 17 000 m3 wody (fot. 2). Okres realizacji projektu S2 przypada na lata 2010-2011. Projekt S79 zrealizowano w latach 2009-2010, w jego ramach powstało 5 zbiorników wykonanych z rur DN1800. Zbudowano je jako zespół 3÷8 równoległych rur o długości 9÷50 m i objętości 82÷3500 m3.
    Szczególną cechą rurowych zbiorników retencyjnych jest łatwość instalowania. Równocześnie mniej prawdopodobne są dość częste dla zbiorników z małych elementów (skrzynek rozsączających) odstępstwa od technologii, w tym szczególnie użycie nieodpowiednich materiałów. W technologii wykopu otwartego zbiorniki są realizowane na terenach miejskich, ale poza obszarami o wysokiej intensywności użytkowania. Stąd nie są one przeznaczone do użycia na obszarach śródmiejskich.

Możliwości działania na obszarze śródmiejskim
    Powszechnym problemem wszystkich obszarów zurbanizowanych jest brak wolnego terenu pozwalającego na prowadzenie robót podziemnych. Zagadnienia komplikują się na obszarach śródmiejskich – trudno jest jednoznacznie oceniać, ale w praktyce przekroczenie ok. 3 m głębokości wykopu otwartego musi być traktowane jako sukces. Praktycznie w II połowie XX w. rozpowszechniły się technologie bezwykopowe, w tym klasyczne tunelowanie pozwalające realizować przewody o bardzo dużych średnicach. W efekcie pojawiły się podziemne zbiorniki (np. w Tokio) pozwalające okresowo magazynować wody przelewowe, względnie opadowe [8].
    Specyfika warszawska polega na tym, że obszar o szczególnie intensywnej zabudowie jest zdominowany przez relatywnie starą kanalizację ogólnospławną (rys. 1). Nawet stosowana na etapie projektów wysoka wartość współczynnika spływu (w projektach Lindleya standardem dla obszaru miejskiego była średnia wartość ψ≈0,7) dezaktualizuje się w miarę upływu czasu. Np. w Łodzi została ona przekroczona po 100 latach od wykonania projektu. Aktualnie miarodajna w mieście jest średnia wartość ψ≈0,8, a w warunkach dodatkowo ograniczających infiltrację i przyspieszających spływ nawet ψ≈0,9. W realiach warszawskich szczególne znaczenie może odegrać obserwowane w okresie co najmniej ostatnich 20 lat „dogęszczanie” zabudowy śródmiejskiej i w efekcie wzrost odpływu zarówno ścieków sanitarnych, jak i wód opadowych. Od dłuższego czasu można zaobserwować symptomy wskazujące na występowanie tego zjawiska. W praktyce obszary zielone zostały wyeliminowane z obszaru śródmiejskiego.
    Nie wydaje się, aby można było realnie liczyć na wykonawstwo zbiorników w technice otwartego wykopu. Interesujące doświadczenia przyniosły realizacje związane z modernizacją kanalizacji warszawskiej (fot. 3, fot. 4) – [11]. Rekordowe wyniki uzyskane w trakcie mikrotunelowania tunelowania rurami GRP 3000 (3000/2800 mm), w szczególności:
• wykonanie odcinka prostego o długości 930 m,
• wykonanie 2 odcinków łukowych: o długości 249,9 m i 230,67 m przy promieniu łuku 900 m i 450 m,
świadczą o możliwościach metody przy wykorzystaniu pojedynczej komory startowej. W końcowym stadium opracowania konstrukcji jest rura 3500 mm (3550/3300 mm).
    Mikrotunelowanie na obszarach intensywnie użytkowanych może być rozpatrywane w dwóch aspektach:
• budowy nowych kolektorów przejmujących część wód opadowych (ograniczenie dopływu do kanałów ogólnospławnych, zmniejszenie efektu uszczelnienia zlewni),
• budowy zagłębionych zbiorników retencyjnych pozwalających na odciążenie odbiornika (praktycznie rzeki Wisły).
    Rura wielkośrednicowa pozwala uzyskać pojemność retencyjną na poziomie 615 m3 i ponad 850 m3 w liczeniu na 1 hm rury. W efekcie można np. z 1 stanowiska startowego „wślizgnąć” do podłoża gruntowego na głębokości kilku – kilkunastu m zbiornik retencyjny o pojemności kilku tysięcy m3, a prace związane z jego realizacją będą praktycznie nieodczuwalne dla użytkowników terenu.
    Zbiorniki rurowe w technologii mikrotunelowania mogą również rozwiązać problemy chronionych wałami terenów zalewowych, szczególnie istotne na prawym (wschodnim) brzegu Wisły. Jako rozwiązanie można zaproponować:
• wydzielenie obszaru bezpiecznego i potencjalnie zagrożonego cofką,
• zastosowanie na rozgraniczeniu obszarów zabezpieczeń przeciwcofkowych,
• zastosowanie zbiorników czasowo przejmujących spływ z zagrożonego obszaru,
• ewentualnie wykonanie nowych wylotów dla obszarów niezagrożonych i zamontowanie na wylotach z obszarów zagrożonych zamknięć przeciwcofkowych.

* * *

    Zadaniem strategicznym na obszarze Warszawy i innych dużych aglomeracji jest ograniczenie wielkości spływów wód opadowych. Rozwiązaniem technicznym jest tu zwiększenie zdolności retencyjnej obszaru. Poza wybranymi lokalizacjami może być ono uzyskane przez tworzenie zbiorników retencyjnych. Z kolei ochrona obszarów zalewowych w warunkach miejskich wymaga modernizacji istniejących systemów odwodnień i wylotów.
    Realizacje w ramach programu warszawskiego wykazały istotne walory rur GRP jako podstawy rozwiązań zbiorników retencyjnych. W inwestycjach drogowych poza obszarami o wysokiej intensywności użytkowania standardem staje się zbiornik realizowany w wykopie otwartym. Na terenach zagospodarowanych szczególnie interesujące są technologie bezwykopowe. Dotychczasowe doświadczenia pozwalają stwierdzić, że technologia mikrotunelowania może być wykorzystana zarówno do budowy zbiorników retencyjnych o dużych objętościach, jak i do modernizacji istniejących systemów kanalizacji.

Literatura:
[1] ATV A105: Wahl des Entwässerungssystems (Wybór systemu kanalizacji). ATV Regelwerk Abwasser – Abfall, ATV Hennef 1997
[2] ATV A118: Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwässerungssystem (Pomiary hydrauliczne i oceny w systemach kanalizacyjnych).
ATV Regelwerk Abwasser – Abfall. ATV GFA, Hennef 1999
[3] Imhoff K., Imhoff K.-R., Kanalizacja miast i oczyszczanie ścieków. Poradnik. Arkady, Warszawa 1982.
[4] Kotowski A., Kaźmierczak B., Damcewicz A., Modelowanie opadów do wymiarowania kanalizacji, Polska Akademia Nauk. Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej, Instytut Podstawowych Problemów.
Techniki. Studia z zakresu inżynierii, Nr 68, Warszawa 2010.
[5] Licznar P., Problemy projektowania i modelowania systemów odwodnień w Polsce. „Wodociągi i Kanalizacja” nr 4/2009.
[6] Mrowiec M., Rozbudowa systemów odprowadzania wód opadowych, „Wodociągi i Kanalizacja” nr 4/2009.
[7] PN-EN 752-1 (2008). Zewnętrzne systemy kanalizacyjne
[8] Suligowski Z., Infrastruktura kanalizacyjna w gospodarce komunalnej, Wydawnictwo PG, Gdańsk 2006.
[9] Suligowski Z., Gudelis – Taraszkiewicz K., Dlaczego szukamy alternatywnych rozwiązań kanalizacji wód opadowych? „Inżynieria Morska i Geotechnika” nr 3/2008.
[10] Weinerowska – Bords K., Umowność ustaleń a wody opadowe, „Wodociągi i Kanalizacja” nr 4/2009.
[11] www.kolektorczajka.pl
[12] www.watertime.net

Autorzy: prof. dr hab. inż. Ziemowit Suligowski, Politechnika Gdańska, dr inż. Maria Orłowska-Szostak, Politechnika Gdańska

Artykuł został opublikowany w magazynie "Ochrona Środowiska" nr 5/2011

Źródło fot.: www.sxc.hu