BADANIA EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ Z KANALIZACJI DESZCZOWEJ NA TERENACH ZURBANIZOWANYCH NA PRZYKŁADZIE ŁODZI

(1)

POLITECHNIKA ŁÓDZKA

WYDZIAŁ BUDOWNICTWA, ARCHITEKTURY I INŻYNIERII ŚRODOWISKA

BADANIA EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ Z KANALIZACJI DESZCZOWEJ NA TERENACH ZURBANIZOWANYCH NA PRZYKŁADZIE ŁODZI

Łódź, 2016

Rozprawa doktorska przygotowana

w Instytucie Inżynierii Środowiska i Instalacji Budowlanych

Autor:

mgr inż. Błażej Dziedziela

Promotor:

prof. PŁ

dr hab. inż. Marek Zawilski

Promotor pomocniczy:

dr inż. Agnieszka Brzezińska

(2)

1.Spis treści

2

Spis treści

Spis treści ... 2

Streszczenie w j. polskim ... 5

Streszczenie w j. angielskim ... 7

Spis symboli ... 9

Wprowadzenie ... 10

Cel pracy ... 11

Teza pracy ... 11

Zakres pracy ... 11

CZĘŚĆ LITERATUROWA ... 12

Wstęp ... 12

Pojęcie zrównoważonego rozwoju ... 13

Bilans wodny zlewni ... 14

Systemy odprowadzania ścieków deszczowych ... 15

Zlewnia oraz charakterystyczne jej parametry ... 16

Monitoringu opadów ... 20

Opad atmosferyczny i odpływ powierzchniowy... 22

Kategorie deszczu ... 27

Krzywa odpływu ze zlewni ... 29

Zjawisko opadu pyłu na zlewnię ... 32

Kierunki rozwoju metod symulacyjnych ... 33

Ogólna charakterystyka modeli hydrologicznych ... 34

Tworzenie hydrologicznego modelu matematycznego ... 37

Modelowanie cyfrowe a praktyka inżynierska ... 39

Zasady modelowania cyfrowego ... 40

Niepewność pomiarowa podczas prowadzonych badań ... 53

Rachunek błędu ... 54

Charakterystyka jakościowa ścieków deszczowych ... 55

Czynniki wpływające na jakość ścieków deszczowych ... 55

Badania jakości ścieków deszczowych ... 58

Uregulowanie prawne dotyczące jakości ścieków deszczowych ... 63

Charakterystyka wskaźników zanieczyszczenia ścieków deszczowych ... 63

Obiekty retencyjne na zlewni ... 68

Odbiorniki ścieków ... 68

Monitoring w Inżynierii Środowiska ... 71

(3)

1.Spis treści

3

CZĘŚĆ BADAWCZA ... 72

Założenia do badań ... 72

Metodyka badań ... 72

Opis badanej zlewni „Liściasta” ... 73

Charakterystyka ogólna badanej zlewni ... 73

Rozmieszczenie zabudowy ... 75

Inwentaryzacja zlewni ... 78

Analiza budowy geologicznej zlewni ... 80

Charakterystyka sieci kanalizacyjnej ... 83

Opis stanowiska badawczego ... 84

Ogólna charakterystyka ... 84

System monitoringu opadu ... 85

Lokalizacja zbiornika wód opadowych ... 94

Opomiarowanie zbiornika wód opadowych ... 95

Opis zastosowanej aparatury pomiarowej ... 97

Wnioski wynikające z eksploatacji przyrządów pomiarowych ... 104

Krzywa konsumcyjna ... 108

Metodyka określania i odrzucania wyników pomiaru ... 112

Zbiornik sedymentacyjno-retencyjny ... 112

Charakterystyka odbiornika ścieków - rzeki Sokołówki ... 114

Metodyka prowadzonych badań laboratoryjnych ... 118

Wyniki badań i dyskusja wyników ... 123

Model symulacyjny zlewni „Liściasta” ... 123

Model spłukiwania zanieczyszczeń ... 133

Pomiar opadu pyłu na zlewnię ... 144

Analiza tempa akumulacji zanieczyszczeń na zlewni referencyjnej ... 147

Analiza zjawiska pierwszej fali ... 148

Pojęcie opadu aktywnego ... 151

Liczba dni pogody suchej (LDPS) ... 151

Ładunek spłukiwanych zanieczyszczeń ... 152

Czas opóźnienia spływu ... 152

Statystyka w obliczeniach inżynierskich ... 153

Wprowadzenie ... 153

Analiza zależności między wybranymi parametrami ... 157

Korelacja: mętność-zawiesiny ogólne ... 160

Korelacja: ChZT-zawiesiny ogólne ... 163

Korelacja: chwilowe stężenie zawiesin ogólnych - parametry opadu ... 165

(4)

1.Spis treści

4

Korelacja średnie ważone stężenie zawiesin - parametry opadu ... 168

Korelacja: średnioważone stężenie zawiesin - parametry opadu i LDPS ... 170

Analiza wrażliwości modelu ... 171

Podsumowanie i wnioski ... 182

Wnioski dotyczące modelowania ... 182

Wnioski dotyczące przeprowadzonych badań ... 184

Bibliografia ... 187

Spis rysunków ... 214

Spis wykresów ... 216

Spis tabel ... 219

Oświadczenie autora pracy ... 222

Załącznik 1. Raport z programu „Plagiat” ... 223

Załącznik 2. Przykładowe zestawienie najważniejszych parametrów dla analizowanych opadów z 2015r ... 224

(5)

2.Streszczenie w j. polskim

5

Streszczenie w j. polskim

Badania emisji zanieczyszczeń z kanalizacji deszczowej na terenach zurbanizowanych na przykładzie Łodzi

Wpływ jakości ścieków deszczowych na odbiornik ma istotne znaczenie dla jego fauny i flory. Polskie prawo określa maksymalne stężenie zawiesin ogólnych w ściekach opadowych kierowanych do odbiornika na poziomie 100 mg/dm³.

W pracy przedstawione zostały wyniki badań stopnia zanieczyszczenia ścieków deszczowych emitowanych przez rzeczywisty system kanalizacji deszczowej. System ten został wyposażony w stanowisko pomiarowe złożone z przepływomierza oraz dwóch samplerów: na wylocie głównego kanału oraz na odpływie ze zbiornika retencyjno- sedymentacyjnego przed odpływem ścieków do odbiornika - rzeki Sokołówki.

W celu określenia jakości i ilości ścieków deszczowych stworzono hydrodynamiczny model rzeczywistej zlewni. Do badań wykorzystano istniejącą zlewnię miejską – osiedle mieszkaniowe “Liściasta” zlokalizowane w północnej części Łodzi.

W obliczeniach numerycznych zastosowano program EPA SWMM v. 5.1.010 zaadaptowany do wprowadzania parametrów lokalnego opadu określonego na podstawie wyników pomiarów z miejskiej sieci pluwiometrycznej.

W celu wykazania korelacji między parametrami zanieczyszczenia ścieków opadowych a charakterystyką opadu, analizom poddano zawiesiny ogólne, chemiczne zapotrzebowanie na tlen, mętność, zawartość związków biogennych (Azot Kiejdahla, fosfor ogólny, krzem) oraz zawartość metali ciężkich (kadm, ołów, miedź). Badania obejmowały również określenie akumulacji analizowanych zanieczyszczeń na zlewni i ich spłukiwanie. Wielkość spłukiwanych ładunków zanieczyszczeń skorelowano z parametrami opadu - jego natężeniem, wysokością, czasem trwania oraz liczbą dni pogody suchej.

Następnie na podstawie wszystkich zaakceptowanych wyników pomiarów na odpływie ze zlewni wykonano kalibrację i weryfikację modelu. Ponadto wykonano analizę wrażliwości stworzonego modelu na wybranych jego parametrach. Omówiono również podstawowe parametry brane pod uwagę przy modelowaniu matematycznym spływu powierzchniowego. Dodatkowo określono efektywność oczyszczania osadnika wód deszczowych wraz z określeniem ładunków zanieczyszczeń zrzucanych do odbiornika ścieków.

(6)

2.Streszczenie w j. polskim

6 W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono przekroczenie dopuszczalnego stężenia zawiesin ogólnych. Otrzymane wyniki dowodzą, że na zlewniach miejskich powinien być prowadzony zarówno monitoring ilościowy i jakościowy ścieków deszczowych. Pozwala on na identyfikację niezbędnej efektywności ich podczyszczania.

(7)

3.Streszczenie w j. angielskim

7

Streszczenie w j. angielskim

Research on the pollutant emission from storm drainage system of urban areas on the example of Łódź city

The effect of stormwater quality on the water receiver has a considerable influence for its aquatic wildlife. Polish law defines the maximum permissible total suspended solids concentration level in stormwater directed to the receiver as 100 mg/dm³.

The dissertation presents the research results on pollution of stormwater emitted by the real storm drainage system. The drainage system has been equipped with a monitoring station consisted of a flowmeter and two samplers: at the main sewer outlet and the outflow from the storage-settling tank prior to the water receiver “Sokołówka”.

In order to determine the quality and quantity of stormwater a hydrodynamic model of the real catchment has been created. In the study, an existing urban catchment area - a housing estate called "Liściasta", which is located in the northern part of the city of Lodz, has been used.

The numerical calculations have been performed using EPA SWMM v. 5.1.010 software and format of local input data has been adapted for the case of rainfalls distributed over the city area. In consequence, the simulation of all observed runoff events was based on real rainfall data obtained from the municipal pluviometric monitoring system.

In order to demonstrate the correlation of stormwater contamination and precipitation characteristics, the lab tests of total suspended solids, chemical oxygen demand, turbidity, content of nutrients (Kiejdahl nitrogen, total phosphorus, silicon) and the content of heavy metals (cadmium, lead, copper) have been performed. The analysis also included determining the accumulation and washoff of the analyzed pollutants on the catchment area. The amount of emitted loads were compared with rainfall parameters like its intensity, depth, duration as well as antecedent dry weather period.

Next, the model was calibrated and verified on the basis of all accepted measurements gathered at the outlet of the catchment. In addition, a sensitivity analysis of the model on its selected parameters was performed. Moreover, the basic parameters taken into account in the mathematical modeling of the surface runoff have been discussed. In addition, the effectiveness of stormwater treatment in the storage-settling tank together with determining pollutant loads discharged into the water receiver has been determined.

(8)

3.Streszczenie w j. angielskim

8 During this study, the exceedance of total suspended solids concentration in comparison to the permissible concentration level was determined. The results of presented analyses prove that quality and quantity monitoring of stormwater should be conducted on urban catchments. It enables the identification of the necessary effectiveness of its pretreatment.

(9)

4.Spis symboli

9

Spis symboli

BZT5 - Biochemiczne zapotrzebowanie na tlen, [mgO2/dm³];

ChZT - Chemiczne zapotrzebowanie na tlen, [mgO2/dm³];

EPA - Envinronmental Protection Agency, Agencja Ochrony Środowiska;

GIS - Geographic Information System, System Informacji Geograficznej;

GPRS - General Packet Radio Service (technologia stosowana w sieciach GSM);

IMiGW - Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej;

IPCC - Integrated Pollution Prevention and Control, Zintegrowane Zapobieganie i Ograniczanie Zanieczyszczeń;

KD - Kolektor deszczowy;

LAG - Czas opóźnienia, z ang. lag time;

LDPS - Liczba dni pogody suchej;

ŁSI - Łódzka Spółka Infrastrukturalna;

NSE - Nash-Sutcliffe model efficiency coefficient, współczynnik Nash-Sutcliffe;

NTU - Nephelometric Turbidity Unit - nefelometryczna jednostka mętności;

OP - Opad pyłu;

OWD - Oczyszczalnia Ścieków Deszczowych;

PŁ - Politechnika Łódzka;

RDW - Ramowa Dyrektywa Wodna;

RMŚ - Rozporządzenia Ministra Środowiska;

RTC - Real Time Control, sterowanie w czasie rzeczywistym;

SWMM - Storm Water Management Model;

UŁ - Uniwersytet Łódzki;

UV - Promienie ultrafioletowe;

WHO - World Health Organisation, Światowa Organizacja Zdrowia;

WIOŚ - Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska;

Z.O. - Zawiesiny ogólne, [mg/dm³];

(10)

5.Wprowadzenie

10

Wprowadzenie

Proces urbanizacji w ostatnich dekadach odcisnął duże piętno na środowisku naturalnym. Rozwój miast spowodował wiele negatywnych aspektów, szczególnie dla środowiska wodnego. Zakłócił on naturalną, dynamiczną równowagę ilościową między opadem atmosferycznym, a procesem spływu powierzchniowego.

Gwałtowny wzrost powierzchni uszczelnionych zlewni miejskich przyczynił się nie tylko do szybszego i większego spływu powierzchniowego, ale również do zwiększenia stężenia zanieczyszczeń kierowanych do odbiornika ścieków. Niestety w parze z rozwojem miast nastąpił również rozwój transportu, głównie samochodowego, który jest źródłem ogromnej ilości różnorodnych zanieczyszczeń powietrza, wód oraz gleby.

Niezbędne jest więc, podjęcie odpowiednich kroków, mających na celu poprawę gospodarki wodno-ściekowej na obszarach zurbanizowanych. Wiąże się to z wprowadzeniem odpowiedniego, ciągłego systemu monitoringu ilości i jakości ścieków odprowadzanych do środowiska wodnego. Należy również podjąć decyzję o rewitalizacji istniejących systemów odprowadzania ścieków opadowych oraz o budowie odpowiednich urządzeń do ich podczyszczania.

Obecnie istotnym zagadnieniem, będącym obszarem badawczym wielu naukowców jest problematyka wykorzystania procesów retencji i zagospodarowania wód opadowych na danej zlewni.

Wychodząc naprzeciw tym problemom, w pracy zostaną omówione wyniki, przeprowadzonych badań wybranych parametrów zanieczyszczenia ścieków opadowych.

Dodatkowo został opracowany model hydrodynamiczny oraz model nagromadzenia i spłukiwania zanieczyszczeń z analizowanej zlewni rzeczywistej, w celu predykcji przed w/w zagrożeniami dla środowiska naturalnego. Badania te pozwolą na wyznaczenie w przyszłości emisji zanieczyszczeń z dowolnej zlewni o podobnym charakterze oraz ocenę jej wpływu na stan wybranego odbiornika ścieków.

W niniejszej pracy szczególną uwagę skupiono na przedstawieniu możliwości wykorzystania symulacji komputerowej do określenia wielkości odpływu ścieków ze zlewni oraz określenia stopnia stężenia wybranych wskaźników zanieczyszczeń emitowanych do odbiornika.

(11)

6.Cel pracy

11

Cel pracy

Celem naukowym niniejszej pracy było stworzenie systemu prognozowania emisji zanieczyszczeń z kanalizacji deszczowej na terenach zurbanizowanych przy wykorzystaniu modelu komputerowego badanej zlewni rzeczywistej. Zweryfikowane zostały przy tym różne modele hydrologiczne oraz modele nagromadzenia i spłukiwania zanieczyszczeń. Dodatkowo zadanie badawcze obejmowało wyznaczenie korelacji między natężeniem opadu, natężeniem odpływu oraz innymi parametrami, charakteryzującymi zlewnię zurbanizowaną oraz zależności między parametrami opadu, a stężeniem wybranych wskaźników zanieczyszczenia ścieków opadowych, emitowanych do środowiska wodnego.

Teza pracy

Możliwe jest opracowanie spójnego i wiarygodnego modelu spływu ścieków opadowych wraz z zanieczyszczeniami, przy wykorzystaniu danych z monitoringu przestrzennego opadów na zlewni zurbanizowanej o znanych parametrach morfologicznych i zagospodarowaniu, w tym znanym lub oszacowanym tempie nagromadzenia zanieczyszczeń. Model taki może służyć do wiarygodnej oceny stanu zanieczyszczenia odbiornika ścieków z danej zlewni.

Zakres pracy

Zakres pracy obejmował wykonanie stanowiska pomiarowego na rzeczywistej zlewni na terenie Łodzi, kalibrację i weryfikację modelu matematycznego zlewni użytego w programie EPA SWMM, obejmującego model hydrologiczny oraz model nagromadzenia i spłukiwania zanieczyszczeń. W toku badań przeprowadzono również analizę wrażliwości wybranych parametrów. Poddane analizie zostały także zależności między badanymi wskaźnikami zanieczyszczeń (zawiesinami ogólnymi, mineralnymi i lotnymi, ChZT, mętnością), jak też ich uzależnienie od parametrów wejściowych - charakterystyki opadów oraz ich rozkładu w czasie. Ponadto zakres pracy obejmował analizę sprawności technologicznej zbiornika retencyjnego.

(12)

1.Wstęp

12

CZĘŚĆ LITERATUROWA Wstęp

Gwałtownie postępujący proces urbanizacji w ostatnich latach ujawnił niekorzystny wpływ opadów atmosferycznych na działanie systemów kanalizacyjnych miast oraz na naturalne odbiorniki ścieków. Proces ten charakteryzuje się w dużych aglomeracjach zwiększaniem stopnia uszczelnienia zlewni w wyniku budowy nowych dróg, chodników, czy parkingów. Powoduje to niekorzystny wzrost szybkości spływu powierzchniowego ze zlewni (Yao, i in., 2016). Spływy z dachów, dróg czy parkingów stają się tym samym coraz bardziej niebezpiecznie dla środowiska naturalnego. Transportują one coraz więcej zanieczyszczeń w coraz krótszym czasie (Osmulska-Mróz, 1992; Sañudo-Fontaneda, i in., 2014).

Coraz intensywniejsza działalność człowieka na obszarze zlewni prowadzi do zmiany stosunków wodnych na jej terenie (Ozga-Zielińska i Brzeziński, 1997). Działanie to przejawia się dwojako:

świadoma ingerencja ukierunkowana na zmianę środowiska pod kątem zaspokojenia konkretnych potrzeb człowieka, np. budowa zbiorników retencyjnych, rekreacyjnych, regulacja koryt rzek, rozbudowa systemów melioracji i odwadniania obszarów miejskich i rolniczych;

niezamierzona ingerencja, która stanowi efekt uboczny realizacji innego celu priorytetowego, np. wzrost udziału powierzchni uszczelnionych w ogólnym stosunku powierzchniowym danej zlewni, wyręb lasów itp.

W ostatnich latach zmiany klimatu stały się czynnikiem determinującym konieczność zmiany podejścia podczas projektowania systemów kanalizacyjnych.

W myśl prognoz, na skutek efektu cieplarnianego występuje wzrost liczby ekstremalnych zjawisk pogodowych np. huraganów, susz i nawalnych opadów deszczu. Spowodowało to zwiększenie zainteresowania wśród naukowców i badaczy specjalizujących się badaniem zjawisk hydrologicznych (Zwoliński, 2011; Kotowski, i in., 2013; IPCC, 2013;

Dokulil, 2016). Ich głównym celem stało się poszukiwanie coraz to bardziej skutecznych narzędzi do przewidywania ewentualnych zagrożeń hydrologicznych i ich oceny dla funkcjonowania sieci (jej przeciążenia) oraz poszczególnych elementów systemu kanalizacji deszczowej, czy ogólnospławnej (Jang, i in., 2007; Arnbjerg-Nielsen, i in., 2013; Kaźmierczak, i in., 2014).

(13)

2.Pojęcie zrównoważonego rozwoju

13 Kolejnym nurtem badań, jakże istotnym dla środowiska naturalnego (głównie wodnego) jest opracowanie metod oszacowania wpływu gwałtownych opadów atmosferycznych na odbiornik ścieków, biorąc pod uwagę zarówno wielkość spływu powierzchniowego, jak i wielkość ładunku zanieczyszczeń do niego zrzucanych (Zawilski i Sakson, 2013).

Należy podkreślić, iż coraz bardziej postępujące zanieczyszczenie środowiska naturalnego odciska swoje piętno nie tylko na przyrodzie, ale niestety również na zdrowiu człowieka. Ocenia się (Stepnowski, i in., 2010), iż w ciągu ostatnich 10 lat do środowiska naturalnego przedostało się tyle substancji zanieczyszczających, ile w ciągu poprzednich 70 lat. Ponieważ tempo rozprzestrzeniania się coraz to groźniejszych zanieczyszczeń wzrasta, uczeni są zgodni, iż choroby ludzi (np. nowotworowe) będą pojawiały się częściej. Nie bez znaczenia jest ogłoszenie Światowej Organizacji Zdrowia, że aż 75% chorób człowieka wynika ze złego stanu środowiska naturalnego (WHO, 2015).

Pojęcie zrównoważonego rozwoju

Zgodnie z Ramową Dyrektywą Wodną Unii Europejskiej (RDW) 2000/60/WE Polska, jako jej członek musi prowadzić m.in. racjonalną gospodarkę wodami opadowymi, zgodnie z zasadą zrównoważonego rozwoju. Filozofią tej idei jest zatrzymywanie i zagospodarowywanie ścieków deszczowych na terenach zlewni miejskich, co jedocześnie pozwala na ograniczenie wielkości oraz poprawę jakości spływów powierzchniowych do rzek czy jezior. Celem RDW jest doprowadzenie do co najmniej dobrego stanu wszystkich części wód (z wyjątkiem sztucznych i silnie zmienionych) przez zastosowanie i wdrożenie koniecznych działań w ramach zintegrowanych programów oraz osiągnięcie dobrego potencjału ekologicznego i dobrego stanu chemicznego dla wód sztucznych i silnie zmienionych.

Elementami, dzięki którym jesteśmy w stanie spełnić te warunki są zarówno obiekty infiltracyjne (np. studnie chłonne, dachy zielone), jak i retencyjne (zbiorniki retencyjno-sedymentacyjne, niecki chłonne itp.) (Burszta-Adamiak i Łomotowski, 2006;

Barszcz, 2014).

Działania, które mają na celu zrównoważony rozwój przynoszą wiele korzyści, które zestawiono w tabeli 1.

(14)

3.Bilans wodny zlewni

14 Tabela 1. Zalety rozwoju zrównoważonego (opracowanie własne)

Korzyści wynikające ze zrównoważonego rozwoju gospodarki wodno-ściekowej na zlewniach miejskich

Ekologiczne Ekonomiczne Hydrauliczne Społeczne

Ograniczenie gwałtownych wezbrań w ciekach

wodnych

Zmniejszenie strat wywołanych powodziami i podtopieniami

Mniejsze obciążenie urządzeń do podczyszczania ścieków

poprawa ich efektywności

Eliminacja (przynajmniej częściowa) strat w wyniku powodzi,

podtopień Ograniczenie

zanieczyszczenia wód

Zmniejszenie deficytu wody

pitnej

Zredukowanie stresu hydraulicznego w okolicach

włączenia sieci do rzek

Wzmocnienie świadomości ekologicznej mieszkańców Poprawa warunków

gruntowo-wodnych na zlewni

Podniesienie atrakcyjności terenów miejskich

Ograniczenie przeciążenia sieci kanalizacyjnych i elementów jej

towarzyszących

Podniesienie walorów estetycznych terenów miejskich

Pojęcie zrównoważonego rozwoju jest pojęciem trudnym, co do jego interpretacji.

Wielu autorów definiuje go w nieco odmienny sposób. Jednak jego główny cel w postaci np. przemyślanego ekorozwoju czy ochrony środowiska jest wspólny dla większości badaczy (Redclift , 2009). Trzeba liczyć się jednak z problemami podczas prób wprowadzania idei zrównoważonego rozwoju. Na terenach zurbanizowanych występuje szczególnie dużo sprzecznych interesów gospodarczych, społecznych czy ekonomicznych.

Dynamiczny rozwój miast wymusza potrzebę ciągłej kontroli wraz z identyfikacją potencjalnych zagrożeń dla środowiska przyrodniczego oraz wymaga prawidłowej ich oceny (Deakin i Reid, 2014).

Bilans wodny zlewni

Podstawą dla rozważań o modelowaniu matematycznym zjawiska opad-odpływ jest pojęcie bilansu wodnego. Określa on jaka ilość wody dostaje się do zlewni wobec ilości wody zatrzymanej oraz ścieków odpływających do odbiornika. Wielkości te rozpatrywane są oczywiście w danym przedziale czasu (Soczyńska, 1997).

Równania bilansu dynamicznego mają postać:

(1) lub

(2)

(15)

4.Systemy odprowadzania ścieków deszczowych

15 Biorąc pod uwagę podział odpływu na powierzchniowy i podziemny w/w otrzymano równanie:

(3) gdzie:

P - wysokość opadu atmosferycznego, [mm];

H - odpływ ze zlewni, [mm];

Hp - odpływ powierzchniowy, [mm];

Hg - odpływ podziemny, [mm];

E – straty, [mm];

ΔR - przyrost retencji, [mm];

Rp - retencja początkowa, [mm];

Rk - retencja końcowa, [mm].

Analizując równania 1, 2 i 3 można zauważyć, iż bilans składa się z wielu czynników, które dodatkowo są zmienne w czasie, ponadto bez dodatkowych badań terenowych są często trudne do oszacowania.

Systemy odprowadzania ścieków deszczowych

Podstawowymi systemami odprowadzania ścieków deszczowych z terenów zurbanizowanych jest sieć kanalizacji deszczowej oraz kanalizacji ogólnospławnej.

Zgodnie z zasadą zrównoważonego rozwoju i postępem technologicznym nowobudowane systemy kanalizacyjne wykonywane są jako rozdzielcze, tzn. ścieki deszczowe (w tym roztopowe) oraz ścieki bytowo-gospodarcze (w tym przemysłowe) odprowadzane są osobno. Jest to spowodowane znacznie mniejszym stężeniem zanieczyszczeń w ściekach deszczowych oraz możliwością odłączenia poszczególnych źródeł ich powstawania, zagospodarowując ją w inny sposób, co zmniejsza ilość ścieków emitowanych np. do odbiornika. Jako ogólnospławne pozostają wyłącznie systemy już istniejące, których rewitalizacja wraz z ich przebudową byłaby bardzo nieekonomiczna.

Porównanie w/w systemów odprowadzania ścieków umieszczono w tabeli 2.

Nie podlega jednak dyskusji fakt, iż sieć kanalizacji deszczowej jest jednym z najważniejszych elementów miejskiej infrastruktury technicznej. Ma ona ogromne znaczenie, przejawiające się w ochronie terenu zurbanizowanego przed zjawiskiem powodzi (Błaszczyk, i in., 1974; Bolt, i in., 2012; Notaro, i in., 2013).

(16)

16 Tabela 2. Porównanie systemów usuwania ścieków (opracowanie własne).

Charakterystyka podstawowych systemów odprowadzania ścieków

Typ kanalizacji Ogólnospławna Rozdzielcza Półrozdzielcza

Liczba przewodów Jeden Dwa, niezależne Dwa, zależne

Rodzaj ścieków transportowanych

Bytowo-gospodarcze, przemysłowe, deszczowe (razem)

Bytowo-gospodarcze, przemysłowe całkowicie oddzielone od deszczowych

System mieszany - częściowo separujący ścieki deszczowe (przy znacznych przepływach) od bytowo-gospodarczych

Obecne zastosowanie

Tylko utrzymanie istniejących już

systemów

Najbardziej popularne i zasadne w zrównoważonej

gospodarcze wodno- ściekowej

Nie znalazły dotychczas szerokiego stosowania

w praktyce, nadal pozostają w sferze rozważań teoretycznych

Specjalne elementy charakteryzujące

dany system

Przelewy burzowe (długość i wysokość

ich krawędzi)

Zbiorniki retencyjne, szczególnie przy wylocie do

odbiornika ścieków

Separatory ścieków deszczowych

Stopień negatywnego oddziaływania na

środowisko

Zmienny - zależny od opadu atmosferycznego (negatywny wpływ przelewów burzowych

na odbiornik)

Zmienny - zależny od wysokości i natężenia opadu

atmosferycznego

Umiarkowany - ścieki o największym stężeniu zanieczyszczeń kierowane są wprost do oczyszczalni

ścieków

Zlewnia oraz charakterystyczne jej parametry

W niniejszej pracy często pojawiać się będzie określenie zlewnia. Jest ona definiowana jako podstawowa, trójwymiarowa jednostka systemowa o określonych granicach, w której zachodzi cykl hydrologiczny - w danym przypadku zjawisko opad- odpływ. Jest ona zbudowana z geokompleksów, czyli obszarów fizycznogeograficznych o różnej jednorodności - wynikającej z homogeniczności ośrodków macierzystych - biotycznych i abiotycznych, np. rodzaju gleby, ukształtowania powierzchni, rodzaju pokrycia terenu itp. Jej granice nie zawsze są wyraźnie topograficznie, co utrudnia określenie kierunku spływu z danej powierzchni. Poprawne wyznaczenie topograficznej granicy zlewni, stanowi punkt wyjścia do obliczeń i analiz, dlatego niezbędne jest jej jak najdokładniejsze określenie np. na podstawie map topograficznych, czy wizji terenowej.

(17)

17 Każdą zlewnię charakteryzuje duża, jednak skończona liczba jej cech.

W rzeczywistości, na skutek braku wystarczającej precyzji pomiarów badacze są zmuszeni opisywać zlewnię za pomocą ograniczonej liczby zmiennych. Wybór tych charakterystycznych parametrów fizycznych jest trudny i zależy od koncepcji badawczej zgodnej z celem badań. Kwantyfikacja cech fizycznych może przybierać różne formy i wyrażać je w danych względnych, procentach czy współczynnikach (Soczyńska, 1997).

Zlewnia jest systemem niestacjonarnym - opad taki sam, co do wielkości i rozkładu w czasie i przestrzeni wywołuje różny odpływ, w zależności od warunków panujących na jej powierzchni w chwili jego wystąpienia. Parametrami fizycznymi, charakteryzującymi zlewnię, decydującymi o zjawisku „opad-odpływ” są głównie przepuszczalność i wilgotność gleby oraz spadek i szorstkość powierzchni terenu.

W rzeczywistości nie ma dwóch takich samych zlewni, a istnieje wyłącznie ich podobieństwo fizyczne, określane na podstawie wyróżnionych przez badacza charakterystycznych cech. W niniejszej pracy wyznaczono zbiór kilku parametrów zlewni, które określają cechy strukturalne danego rodzaju zlewni. Spływ powierzchniowy klasyfikowany jest często, ze względu na typ zlewni, z której jest generowany - tabela 3 (Babelski, 1999; Wang, i in., 2013; Liu, i in., 2014; Paule, i in., 2014).

Tabela 3. Zanieczyszczenie ścieków deszczowych w odniesieniu do rodzaju zagospodarowania zlewni (opracowanie własne)

Źródło spływu powierzchniowego

Główne zanieczyszczenia w ściekach deszczowych

Stopień zagrożenia dla fauny i flory odbiornika ścieków w jednakowych warunkach Tereny mieszkaniowe ChZT, zawiesiny ogólne, Znaczny

Tereny przemysłowe Substancje ropopochodne,

metale ciężkie Duży

Ciągi komunikacyjne

Substancje ropopochodne, metale ciężkie, WWA, zawiesiny

ogólne, halogenowane węglowodory alifatyczne

Bardzo duży

Obszary rolnicze, leśne

Pestycydy, nawozy mineralne - związki azotu, fosforu, potasu, odpady roślinne i zwierzęce,

zawiesiny ogólne

Duży

Trzeba podkreślić, iż spływy z w/w terenów różnią się w sposób znaczny od siebie, zarówno pod względem hydraulicznym (czas kulminacji, objętość spływu), jak i jakościowym (stężenie, ładunek zanieczyszczeń).

Spływ powierzchniowy składa się z trzech etapów:

zatrzymanie procesu wsiąkania - grunt w stanie nasycenia;

(18)

18 utrata znaczenia szorstkości podłoża - wytworzenie warstwy retencyjnej na powierzchni gruntu;

koncentracja warstwy spływającej w strumienie.

Na wielkość spływu powierzchniowego z danej zlewni mają wpływ takie parametry jak m.in. (Królikowska, 2011):

powierzchnia zlewni;

długość drogi spływu do odbiornika;

rzeźba terenu;

średni spadek podłoża;

pokrycie terenu;

stan utrzymania terenu;

cechy litologiczne podłoża - gleby, jej przepuszczalność i pojemność wodna.

W/w parametry najlepiej jest określić podczas wizji terenowej, ponieważ korzystanie z nieaktualnych map, czy zdjęć lotniczych w przypadku miejskiej zlewni silnie przekształconej antropogenicznie powoduje popełnianie błędnych założeń do przyszłych analiz.

Uśrednianie spadku terenu w obrębie całej zlewni jest częstą praktyką, jednak prowadzi to za sobą duże rozbieżności, ponieważ ukształtowanie i rzeźba terenu w obrębie jednej, niewielkiej powierzchni często zmienia się w sposób bardzo zróżnicowany.

Dodatkowym argumentem przemawiającym za badaniami terenowymi jest niska dokładność ortofotomap oraz ograniczona możliwość precyzyjnego odczytu zapisanych na nich danych.

Często stosowany współczynnik odpływu ψ określa stosunek wysokości odpływu ze zlewni do wysokości opadu. Jest określany jako wielkość procentowa lub bezwymiarowa, zawsze jest mniejszy od jedności. Współczynnik ten pozwala na bezpośrednie porównanie wielkości zasilania z wielkością odpływu ze zlewni, oczywiście w określonym, dowolnym kroku przestrzennym (wzór 4).

Oprócz wysokości opadu efektywnego, ważnym parametrem jest czas jego trwania.

Okres ten definiuje się jako sumę interwałów czasowych Δt, w których opad całkowity, będący większy niż infiltracja, powoduje spływ powierzchniowy (Łomotowski, 2013).

Sposób ten pozwala określić wysokość opadu efektywnego, jednakże wymaga on znajomości parametrów dotyczących wilgotności, czy rodzaju gleby. Z tego powodu w obliczeniach inżynierskich stosuje się metody przybliżone. Przykładem może być

(19)

19 metoda współczynnika odpływu (Edel, 2006; Królikowska, i in., 2011; Wałęga, 2011), definiowana jako:

(4) gdzie:

ψ - współczynnik odpływu, [-];

Vs - objętość spływu, [m³];

Pc - opad całkowity na zlewni, [m³];

F - powierzchnia zlewni, [m²].

Należy zauważyć, iż powyższa zależność w sposób szacunkowy określa wysokość opadu efektywnego, która przekłada się na określenie objętości spływu powierzchniowego, ale nie jego rozkładu w czasie. Zazwyczaj przyjmuje się, że współczynnik ten jest funkcją takich czynników jak:

wskaźnika zdolności retencyjnej zlewni;

opadu całkowitego;

czasu trwania opadu;

wskaźnika sezonowego.

W niniejszej pracy często pojawia się pojęcie wysokości opadu, które - definiowane jako grubość warstwy wody, która spadła na powierzchnię danej zlewni. Zwykle podawana jest w mm lub w dm³/m². Może być ona punktowa, czyli zmierzona w miejscu ustawienia przyrządu pomiarowego, jak i obszarowa - rozumiana jako wysokość przeciętna na powierzchni danego obszaru.

Podczas badań operuje się pojęciem objętości opadu, czyli całkowitej ilości opadu, która spadła na określony obszar. Jest ona zatem iloczynem średniej wysokości opadu oraz powierzchni danej zlewni (wzór 5):

1000 (5)

gdzie:

Vp - objętość opadu, [m³];

- średnia wysokość opadu, [dm³/m²];

- powierzchnia zlewni, [m²].

(20)

20

Monitoringu opadów

Podczas badań naukowych oraz projektowania systemów kanalizacji deszczowej, czy ogólnospławnej niezbędna jest wiedza nt. wysokości, intensywności oraz rozkładu przestrzennego opadów atmosferycznych. Istotne jest posiadanie wiarygodnych informacji o rozkładzie czasowo-przestrzennym opadów, niezbędnych przy modelowaniu hydrodynamicznym (Licznar, i in., 2005; Linczar, 2009; Kaźmierczak, i in., 2014).

Należy wspomnieć, iż często stosowany model Błaszczyka wg badań w pracach (Kotowski, i in., 2010a; Kotowski, i in., 2010; Kotowski, 2011), zaniża wyniki obliczeń nawet o 40%. Jest za to odpowiedzialna zła metodologia opracowania pomiarów przez Błaszczyka (w przypadku obecnych warunków) oraz zmiany klimatu, które z kolei są odpowiedzialne za nasilenie ekstremalnych zjawisk pogodowych. Należy nadmienić, iż podejście modelu Błaszczyka stosowane przez wiele lat przy projektowaniu systemów odwodnienia jest wręcz niebezpieczne z punktu widzenia ochrony zlewni przed podtopieniami lub powodziami, szczególnie miejskimi.

Właściwe przyjmowanie natężenia deszczu miarodajnego do obliczeń ma kluczowe znaczenie przy projektowaniu systemów kanalizacyjnych, wraz z obiektami im towarzyszącymi (Licznar, i in., 2015).

Monitoring prowadzony przez Instytut Meteorologii i Gospodarki wodnej określa wartości rocznych sum opadów, które są obecnie podstawą do projektowania systemów kanalizacji deszczowej przez większość projektantów (rysunek 1).

Rysunek 1. Średnie roczne sumy opadów w mm na obszarze Polski w latach 1971-2000 (IMiGW, 2016)

(21)

21 Prawidłowe określenie obciążenia hydraulicznego danej zlewni opadem atmosferycznym wymaga stworzenia odpowiednio gęstej sieci stacji pluwiometrycznych.

Stosunkowo dobrą gęstość sieci monitoringu opadów atmosferycznych, przekładającą się na dokładność rozkładu opadu nad zlewnią otrzymuje się, podczas gdy 1 pluwiometr obsługuje ok. 1 km² zlewni. Jednakże przy powierzchni miasta Łodzi równej ok. 293.3 km², trudne jest stworzenie takiego systemu. Jest tak głównie ze względów ekonomicznych oraz eksploatacyjnych, gdyż koszt oraz utrzymanie pluwiometrów są dość wysokie.

Należy zwrócić uwagę na to, iż z pomiaru za pomocą urządzeń mierniczych otrzymuje się wyniki punktowej wysokości opadu. Tymczasem dla potrzeb praktycznych niezbędne jest wyznaczenie obszarowej jego wysokości. Konieczna jest zatem interpolacja wyników, zmierzonych w danych punktach na dany obszar zlewni. Zgodność przebiegu zjawisk opadowych zanotowanych na danym posterunku meteorologicznym, wraz z przeciętnym przebiegiem tych zjawisk w otaczającym obszarze nazywany jest reprezentatywnością tego punktu pomiarowego.

Sieć posterunków meteorologicznych dzieli dany teren na obszary podporządkowane poszczególnym stacjom pomiarowym. Im sieć ta jest gęstsza i równomierniej rozwinięta, wyniki interpolacji są znacznie dokładniejsze. Należy podkreślić, iż błąd oceny obszarowej wysokości opadu, dla danego terenu jest wprost proporcjonalny do odwrotności gęstości sieci pluwiometrycznej (Szymkiewicz i Gąsiorowski, 2010; Bartnik i Marcinkowski, 2015). Zorganizowanie jednak w pełni rozwiniętej sieci pomiarowej jest zadaniem trudnym, dość kosztownym oraz wymagającym zaangażowania podczas jej eksploatacji.

Łódzki system posterunków pluwiometrycznych obecnie (2016 r.) składa się z:

17 pluwiometrów Łódzkiej Spółki Infrastrukturalnej (ŁSI);

14 posterunków opadowych Uniwersytetu Łódzkiego (UŁ);

3 pluwiometrów Politechniki Łódzkiej (PŁ).

Z podobnie zorganizowanego monitoringu opadów korzysta coraz więcej miast w Polsce, np. Warszawa (Licznar, i in., 2009; Licznar i Szeląg, 2014), Bydgoszcz (Pasela, i in., 2015), Wrocław (Kotowski, i in., 2010a) czy Częstochowa (Mrowiec i Malmur, 2011; Mrowiec, 2014).

Najczęściej zmienność opadu w czasie obrazuje się za pomocą hietogramu. Jest on krzywą sumową opadu, czyli że każda jego rzędna przedstawia sumaryczną wielkość opadu, liczoną od chwili jego rozpoczęcia do punktu odniesienia. Bardzo często badacze

(22)

22 (Szymkiewicz i Gąsiorowski, 2010) stosują natężenie lub intensywność opadu jako charakterystyczny parametr opisujący jego zmienność w czasie. Opisywaną wyżej zależność przedstawia wzór 6:

ś (6)

gdzie:

Iśr - średnie natężenie opadu w przedziale czasu, [mm/h];

ΔP - przyrost wysokości opadu, [mm];

Δt - przedział czasu, [h].

Dotychczasowe badania wykazały silną korelację między natężeniem a czasem trwania opadu. Zgodnie z otrzymanymi wynikami im większa intensywność opadu, tym mniejszy czas jego trwania. Zagadnienie maksymalnego natężenia opadu ma kluczowy wpływ dla projektantów i eksploatatorów sieci kanalizacji deszczowej.

Ponieważ przyjmuje się określone prawdopodobieństwo wystąpienia maksymalnego opadu, urządzenia i sieci kanalizacyjne nie są przewymiarowane.

Dopuszczalne jest wręcz działanie sieci kanalizacji deszczowej pod ciśnieniem, czy nawet ewentualne zalanie ulic - okolic studni i wpustów. Działania te powodują duże oszczędności przy budowie oraz eksploatacji sieci kanalizacji deszczowej, nawet przy założeniu strat wynikających z wylania ścieków na teren.

Opad zmierzony, tzw. klimatologiczny, różni się od opadu, który faktycznie trafia na powierzchnię gruntu (Bajkiewicz-Grabowska i Mikulski, 2005). Ocenia się, że błędy systematyczne - związane z niedokładnością klasycznych przyrządów pomiarowych oraz te, wynikające z przeprowadzenia pomiaru przez obserwatora, a wywołane silnym wiatrem i zwilżaniem wewnętrznej ścianki deszczomierza w terenach nizinnych Polski wynoszą w skali roku od 15-30% zmierzonej sumy opadów (Chomicz, 1976).

Opad atmosferyczny i odpływ powierzchniowy

Opad atmosferyczny, definiowany jest jako średnia wysokość warstwy wody opadowej przypadającej na określoną powierzchnię terenu. Całkowity opad na zlewnię składa się z wielu elementów, zawartych w równaniu 7.

(7) gdzie:

P(t) - opad na zlewnię, [mm];

(23)

23 L(t) - wysokość warstwy wodnej zatrzymanej przez szatę roślinną zlewni

(intercepcja), [mm];

E(t) - wysokość warstwy wody odparowanej ze zlewni, [mm];

f(t) - wysokość warstwy wody, która infiltrowała do gruntu, [mm];

R(t) - retencja powierzchniowa, [mm];

I(t) - opad efektywny - skuteczny (część opadu całkowitego, która fizycznie formuje spływ powierzchniowy ze zlewni), [mm].

Analizując równanie 7 możne stwierdzić, iż każda zlewnia powoduje zmniejszenie warstwy opadu całkowitego na skutek zatrzymania wody opadowej przez np. szatę rośliną i glebę (bioretencja), czy powierzchnie uszczelnione.

Opad atmosferyczny wyznacza cztery podstawowe fazy dla danej zlewni:

I faza - okres bezdeszczowy, gdzie największe znaczenie mają procesy transpiracji pokrywy roślinnej i parowania z powierzchni gleby i wód. Zjawiska te bezpośrednio przekładają się na ubytek wód gruntowych oraz obniżenie wilgotności gleby na analizowanym obszarze;

II faza - początek opadu atmosferycznego, gdzie proces ewapotranspiracji ustaje.

Opad podlega intercepcji roślin oraz retencji terenowej;

III faza - maksymalny opad atmosferyczny - po pewnym okresie opadu pokrywa roślinna oraz gleba nie zatrzymuje już wody opadowej (stan nasycenia).

Cześć wody infiltruje w głąb gruntu, zasilając spływ podpowierzchniowy wody, a znaczna część wody opadowej formuje spływ powierzchniowy, który osiąga swoje maksimum;

IV faza - zakończenie opadu. Koniec lub znaczne zmniejszenie spływu powierzchniowego.

Ponieważ stawia się założenie dotyczące szczelności sieci kanalizacji deszczowej w stosunku do infiltracji, to jedynym źródłem zasilania jest spływ powierzchniowy, definiowany jako grawitacyjne przemieszczanie się ścieków po powierzchni terenu, zgodnie z jej spadkiem. Stanowi on część opadu atmosferycznego pomniejszoną o retencję, infiltrację i ewapotranspirację.

Według pracy (Bartnik, i in., 2009) zlewnie, w których uszczelnienie przekracza 25% stają się kompletnie niestabilne, co powoduje iż ciek wodny podlega degradacji (tabela 4).

(24)

24 Tabela 4. Wpływ stopnia uszczelnienia zlewni na jej bilans oraz stan ekologiczny cieku

(Bartnik, i in., 2009)

Uszczelnienie zlewni [%]

Generowany odpływ [%]

Ewapotranspiracja [%]

Infiltracja [%] Różnorodność biologiczna

cieku

Potencjał ekologiczny

zlewni Płytka Głęboka

brak 10 40 25 25

Bardzo duża Dobry (niezagrożony)

10-20 20 38 21 21

35-50 30 35 20 15 Dostateczna Zagrożony

75-100 55 30 10 5 Zła Zdegradowany

Trzeba podkreślić jasno fakt, iż na spływ powierzchniowy największy wpływ ma wysokość infiltracji do gruntu oraz wysokość opadu efektywnego. Pozostałe składniki równania 7, tj. intercepcja, retencja terenowa i parowanie mają marginalny wpływ na odpływ ze zlewni. Wpływ utraty naturalnej retencji zlewni w istotny sposób decyduje o charakterystyce morfologicznej zlewni i cieku.

Wyróżnić można dwa główne rodzaje retencji - wilgotności gleby oraz retencję depresyjną nierówności terenu. Wpływ retencji powierzchniowej przejawia się szczególnie w początkowej fazie opadu i zanika po dłuższym okresie opadów wskutek wypełnienia ściekami zagłębień terenu.

Retencja terenowa ma niewielki wpływ na spływ powierzchniowy. Jest ona zasadniczo uzależniona od ukształtowania terenu zlewni, szczególnie od występowania lokalnych obniżeń terenowych, w których ścieki są okresowo zbierane i magazynowane.

Straty opadów na zwilżanie różnych powierzchni oraz na zatrzymywanie wód w obniżeniach podaje tabela 5 (Soczyńska, 1997; Ozga-Zielińska i Brzeziński, 1997).

Dzięki badaniom (Butler i Davies, 2011) zjawiska retencji terenowej, wartość strat wody w zagłębieniach terenu można oszacować wg wzoru 8.

√" (8)

gdzie:

d - straty wody w zagłębieniach terenu, [mm];

k1 - współczynnik zależny od typu powierzchni (0.07 dla powierzchni nieprzepuszczalnych, 0.28 dla powierzchni przepuszczalnych), [-];

s - spadek terenu zlewni, [-].

(25)

25 Tabela 5. Straty opadów na zwilżanie i retencję terenową (Ozga-Zielińska i Brzeziński, 1997)

Typ obszaru Starty opadu [mm]

Straty na zwilżanie

Powierzchnie nieprzepuszczalne (drogi asfaltowe, brukowe, dachy) 0.2 - 0.5 Powierzchnie przepuszczalne (zieleń miejska, grunty) 0.2 - 2.0

Retencja w obniżeniach terenu

Bardzo gładkie powierzchnie nieprzepuszczalne 0.2 - 0.4 Gładkie powierzchnie nieprzepuszczalne 0.5 - 0.7 Powierzchnie pokryte rzadką roślinnością, łąki 0.6 - 2.5 Powierzchnie pokryte gęstą roślinnością 2.5 - 4.0

Intercepcja, polega na zatrzymaniu wody opadowej przez istniejącą szatę roślinną na terenie zlewni. Zjawisko to powoduje straty na poziomie ok. 5 mm opadu. Na początku opadu ma ono pewne znaczenie, jednakże w miarę trwania opadu jego rola maleje. Jest to spowodowane mechanizmem oddawania wody przez rośliny, które tracą wodę podczas parowania, które z kolei jest znikome podczas opadu atmosferycznego.

Infiltracja jest procesem wsiąkania części opadu całkowitego w głąb gruntu przepuszczalnego pod wpływem siły ciążenia. Obejmuje ona całość procesu przepływu wody przez grunt od jego powierzchni do poziomu zwierciadła wód gruntowych. Na jej przebieg decydujący wpływ ma siła grawitacji, ale również złożony zespół oddziaływań wynikających z ich kapilarności, adhezji i sił molekularnych. Proces ten zasadniczo składa się z dwóch etapów:

wsiąkanie - przemieszczająca się woda częściowo wypełnia pory gruntu.

Istotną rolę w tym procesie odgrywają siły kapilarności, tarcia i wyporu, których wpływ zanika z czasem;

przesiąkanie - w etapie tym woda wypełnia całkowicie pory gruntowe, dominującą rolę w jej przepływie odgrywa już tylko siła grawitacji.

W miarę trwania opadu nasycenie gruntu wodą stopniowo wzrasta, gdy osiągnie wartość maksymalną na terenie formuje się spływ powierzchniowy. Intensywność opadu atmosferycznego oraz początkowa wilgotność gleby ma znaczny wpływ na natężenie infiltracji. Oznacza ono ilość wody, która w określonej jednostce czasu infiltruje do gruntu o danej powierzchni. Może ona dochodzić nawet do 30-40 mm/h na początku opadu - gdy grunt jest przesuszony, w miarę trwania opadu spada do kilku mm/h. W tabeli 6 przedstawiono wartości infiltracji w zależności od charakteru opadu atmosferycznego (Macioszczyk, 2006).

(26)

26 Tabela 6. Wartości infiltracji w zależności od rodzaju opadu (Macioszczyk, 2006)

Charakter opadu Wysokość opadu Wartość infiltracji

Udział infiltracji w stosunku do sumy

opadów

[-] [mm] [mm] [%]

Nawalny 80 6.6 8.3

Kilkudniowy 26 13 50

Długotrwały (40 dni) 118 104 88

Głównymi czynnikami determinującymi infiltrację są:

rodzaj gruntu;

porowatość gruntu;

przewodność hydrauliczna;

aktualna zawartość wody w gruncie (jego uwilgotnienie).

Oczywiście, możliwa jest sytuacja całkowitego wsiąknięcia opadu w grunt, spowodowanego znaczną jego suchością, szczególnie gdy jest on dobrze przepuszczalny.

Co prawda opad nie powoduje spływu, ale częściowo nasyca grunt i w wypadku następnego opadu zwiększa prawdopodobieństwo jego nasycenia, co przenosi się na uformowanie spływu ze zlewni.

Wody opadowe, które w postaci deszczu dostały się na powierzchnię zlewni, mogą powrócić do atmosfery, nie powodując ani spływu powierzchniowego, ani infiltracji w głębsze warstwy gruntu. Zjawisko to może być spowodowane:

parowaniem (ewaporacją);

transpiracją - zmiana fazowa wody w fazę gazową, poprzez metabolizm roślin.

Parowanie (ewaporacja) również wchodzi do dynamicznego bilansu wodno- ściekowego zlewni (Bajkiewicz-Grabowska i Mikulski, 2011). Jego tempo zależy głównie od:

temperatury wody i powietrza;

wilgotności powietrza;

ciśnienia atmosferycznego;

wiatru;

rodzaju i gęstości szaty roślinnej;

nasłonecznienia.

Na parowanie terenowe składa się ewaporacja:

ze zbiorników i cieków wodnych;

z warstwy wierzchniej gruntu;

(27)

27 z powierzchni roślin (transpiracja).

Przebieg zjawiska opadu atmosferycznego z uwzględnieniem jego strat przedstawiono na rysunku 2.

Rysunek 2. Obieg ścieków deszczowych (opracowanie własne)

Kategorie deszczu

Stworzono wiele klasyfikacji określających intensywność opadów atmosferycznych.

W celu uporządkowania i skategoryzowania opadów, w niniejszej pracy zastosowano podział Chomicza. Analizował on wydajność opadu (utożsamianą z całkowitym natężeniem opadu) od czasu jego trwania (Chomicz, 1951). Efektem jego badań było stworzenie wykresów o kształcie parabolicznym dla poszczególnych klas opadów (Węglarczyk, 2013). Klasyfikację opadów przedstawiono w tabeli 7. Graficzne przedstawienie podziału Chomicza ukazano na wykresie 1.

(28)

28 Tabela 7. Klasyfikacja opadów wg Chomicza

Stopień skali

Współczynnik wydajności opadu

(α)

Kategoria deszczu

Określenie Oznaczenie

0 0.0 - 1.0 zwykły deszcz -

1 1.01 - 1.40 silny deszcz A0

2 1.41 - 2.00 deszcz ulewny - I st. A1

3 2.01 - 2.82 deszcz ulewny - II st. A2

4 2.83 - 4.00 deszcz ulewny - III st. A3

5 4.01 - 5.65 deszcz ulewny - IV st. A4

6 5.66 - 8.00 deszcz nawalny - V st. B1

7 8.01 - 11.30 deszcz nawalny - VI st. B2

8 11.31 - 16.00 deszcz nawalny - VII st. B3

9 16.01 - 22.61 deszcz nawalny - VIII st. B4

10 22.62 - 32.00 deszcz nawalny - IX st. B5

11 32.01 - 45.23 deszcz nawalny - X st. B6

12 45.24 - 64.00 deszcz nawalny - XI st. B7

Wykres 1. Nomogram klasyfikacji opadów wg interpretacji Chomicza

W niniejszej pracy przeprowadzono obliczenia w celu określenia stopnia w skali Chomicza dla wszystkich badanych opadów. Współczynnik wydajności opadu określa daną kategorię deszczu oraz wyznacza stopień jego natężenia. Przy obliczeniach zastosowano niżej przedstawione wzory 9-12:

0 50 100 150 200 250

1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048

Wysokość opadu [mm]

Czas [min]

Deszcze nawalne

Silne ulewy

Ulewy

Silne deszcze A0

B4 B3 B2 B1 A4

A3 A2 A1

B7 B6 B5