Przepompownia wód deszczowych na terenach miejskich

Do niedawna przepompownia wód deszczowych w miastach była rzadkością, ponieważ stosunki własnościowe pozwalały na projektowanie kanałów deszczowych w zasadzie zgodnie z naturalnym ukształtowaniem terenu możliwie najkrótszą drogą do odbiornika, co z inżynierskiego punktu widzenia było rozwiązaniem bardzo dobrym. Jednak po wybudowaniu kanalizacji rodził się problem eksploatacji, ponieważ nie rozwiązano systemowo źródeł utrzymania tego majątku. Formalnie, był to majątek skarbu państwa do którego utrzymania zobowiązana była gmina. Jednak brak środków powodował, że gminy miejskie ograniczały się do zlecania miejskim spółkom wodociągowo-kanalizacyjnym jedynie doraźnego czyszczenia wpustów deszczowych i to tylko w miejscach, gdzie wystąpił brak odbioru deszczówki po ostatnim opadzie atmosferycznym.

W ten sposób doprowadzono do sytuacji, którą obserwujemy aktualnie. Kanalizacja deszczowa w substancjach miejskich jest w złym stanie technicznym, poprzerastana korzeniami drzew i zamulona piaskiem oraz z niesprawnymi urządzeniami podczyszczającymi (osadniki i separatory), jeżeli takie w ogóle były wybudowane. Powyższy stan jest charakterystyczny dla kanalizacji deszczowej na terenie całego kraju.

Sprawę systemowego finansowania kanalizacji deszczowej prawdopodobnie rozwiąże nowa Ustawa z dnia 20 lipca 2017 r. Prawo Wodne. Opłatami za usługę odbioru wód opadowych i roztopowych objęte zostają wszystkie odwadniane powierzchnie, w tym również dachy, z których wody opadowe i roztopowe odprowadzane są do miejskiej sieci kanalizacji deszczowej. Pieniądze z opłat gminy będą musiały przekazywać do nowej rządowej instytucji – Państwowego Gospodarstwa Wodnego Wody Polskie. Realizowanie inwestycji jest obecnie możliwe przy wsparciu ze środków unijnych w ramach Programu Operacyjnego Infrastruktura i Środowisko.

Sprawę rozwiązania problemów kanalizacji deszczowej komplikuje jednak prywatyzacja gruntów, na których często są już wybudowane kanały deszczowe. O ile istniejące kanały i ich eksploatacja na terenach prywatnych od strony prawnej z reguły jest uregulowana poprzez ustanowienie służebności, to ich modernizacja polegająca na przebudowie i zmianie parametrów napotyka z reguły na zdecydowany sprzeciw właścicieli. Działki terenowe w miastach bardzo szybko zyskują na wartości, a ich właściciele nie życzą sobie jakichkolwiek ograniczeń w prawie dysponowania swoją własnością. Często też przebudowa kanalizacji deszczowej jest fizycznie niemożliwa z uwagi na już istniejącą zabudowę.

Pojawiające się w ostatnich latach nawalne opady atmosferyczne powodują największe szkody w zwartej zabudowie, gdzie sieci deszczowe są w najgorszym stanie, a utwardzone powierzchnie spływu są w przewadze. Opisana sytuacja dotycząca nowych wyzwań w zakresie kanalizacji deszczowej spowodowała zainteresowanie projektantów przepompowniami wód deszczowych, które mogłyby rozwiązać problem odciążenia istniejących kolektorów, nie stanowiąc jednocześnie zagrożenia w przypadku awarii.

Przepompownia wód deszczowych – specyficzne problemy w projektowaniu 

1. Trudność w określeniu niezbędnej wydajności przepompowni.

Zagadnienie to wiąże się z prawdopodobieństwem wystąpienia opadu i jego natężenia oraz zmiennym w czasie współczynnikiem spływu powierzchniowego. Długotrwały opad nawet o niewielkiej wartości natężenia powoduje, że cała zlewnia przestaje chłonąć wodę, powodując jej szybki odpływ.

Projektowanie przepompowni dla maksymalnego odpływu jest nieracjonalne, ponieważ powodowałoby realizację obiektów o absurdalnych wielkościach. Dlatego ustalenie odpływu ze zlewni wymaga przyjęcia deszczu miarodajnego (obliczeniowego) przy określonych parametrach zlewni oraz założenie, że wylanie z kanalizacji może się zdarzyć.

2. Brak ciągłości dopływu.

Skuteczne działanie przepompowni jest związane z dopływem wód deszczowych. Brak opadów prowadzi do gromadzenia się w kanałach oraz rowach otwartych różnego rodzaju zanieczyszczeń, takich jak: piasek, liście drzew, gałęzie, papier, folia itp. Ilość śmieci w systemie deszczowym szybko przyrasta w czasie.

Pojawienie się deszczu o dużej intensywności powoduje zmycie tych zanieczyszczeń w dół zlewni, zagrażając zatkaniem urządzeń podczyszczających (separatory, kraty) oraz pomp w przepompowniach. Brak ciągłości napływu wód deszczowych wymaga w porze „suchej” starannych przeglądów i czyszczenia podstawowych urządzeń miejskiej kanalizacji deszczowej.

W samej przepompowni niebezpieczne jest zapiaszczenie komory pomp powodujące wycieranie wirnika, przytkanych pomp oraz ich unieruchomienie na skutek zadziałania zabezpieczeń termicznych.

3. Koszty realizacji i utrzymania.

Przepompownia wód deszczowych jest obiektem kosztownym zarówno na etapie inwestycji, jak i w późniejszej eksploatacji. Na etapie inwestycji duże koszty są spowodowane wymaganą znaczną wydajnością pomp oraz powiązaniem ze zbiornikiem retencyjnym.

Rzadko są to obiekty prefabrykowane. Zwykle przepompownie deszczowe realizowane są w konstrukcjach żelbetowych wylewanych na mokro z osadnikiem i kratą stałą na wlocie.

Na etapie eksploatacji koszty są generowane przez:

• dużą moc zamówioną dla obiektu,
• systematyczne czyszczenie osadnika i krat,
• serwisowanie i wymianę dużych pomp.

Temat kosztów eksploatacji przepompowni został omówiony szerzej w artykule „Przepompownie ścieków sanitarnych i ich koszty eksploatacyjne„.

4. Zabezpieczenie pewności odbioru wód opadowych.

W przypadku awarii obiektu lub deszczu nawalnego pewność odbioru jest niezbędnym elementem towarzyszącym analizie lokalizacji, w krórej stanąć ma przepompownia wód deszczowych. Jest to zagadnienie trudne do realizacji, gdyż wymaga co najmniej jednego z wymienionych zabezpieczeń:

• lokalizacji powyżej przepompowni dużego zbiornika retencyjnego,
• przelewu awaryjnego do innego odbiornika lub innej zlewni,
• lokalizacji przepompowni w miejscu niewrażliwym na wylanie przy deszczu nawalnym.

5. Lokalizacja przepompowni w planach zagospodarowania.

Na skutek złego prawa, dopuszczającego sporządzanie miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego bez niezbędnej infrastruktury, niezmiernie rzadko urbaniści przewidują odpowiednie rezerwy terenu pod obiekty związane z odpływem wód deszczowych, co blokuje zaprojektowanie i wykonanie poprawnych systemów odwadniających w wyodrębnionych zlewniach. Pewnym wyjątkiem są strefy ekonomiczne oraz obwodnice miejskie z kompleksowo rozwiązanym uzbrojeniem, gdzie zwykle występują zarówno zbiorniki wód deszczowych, jak i przepompownie. Obserwuje się jednak nagminnie stosowanie rozwiązań podręcznikowych, niewykraczających poza granice tematu inwestycji, co gorsza w nawiązaniu do siatki cieków powierzchniowych o nieodpowiednich parametrach.

Przepompownia wód deszczowych – przykładowe rozwiązania

Na zamieszczonych rysunkach przedstawiono rozwiązanie przepompowni deszczowej z zastosowaniem retencji przy zastosowaniu metalowych zbiorników wielkokubaturowych cylindrycznych łukowo-parabolicznych. Specyficzny przekrój zbiornika umożliwia korzystne wypłycenie ich posadowienia w stosunku do zbiorników owalnych, natomiast modułowość rozwiązania, docelowe powiększanie retencji przez zastosowanie układu równoległego.

Przepompownia wód deszczowych – jak uniknąć budowy?

Nie ma w tym zakresie uniwersalnych recept. Jeżeli występuje problem braku odbiornika lub dysponujemy odbiornikiem o niewystarczających parametrach, możemy po szczegółowej analizie warunków geologicznych, w tym stosunków wodnych oraz uwarunkowań terenowo – prawnych, zastanowić się nad następującymi rozwiązaniami.

Z podanych rozwiązań najłatwiejszym do wykonania i najbardziej efektywnym jest stosowany od setek lat tzw. drenaż francuski. Przykłady zastosowania drenażu kamiennego lub żwirowego są odnajdywane nawet na terenach dawnego cesarstwa rzymskiego.

Elementy współczesnego drenażu francuskiego to:

• wykop wąskoprzestrzenny wykonany poniżej głębokości przemarzania gruntu, gdzie głębokość przemarzania stanowi 2/3 H jego wysokości,
• zasypka z kruszywa lub tłucznia dobrana do wielkości spływu (odporna na lasowanie),
• geowłóknina igłowana (nietkana) zamykająca zasypkę w wykopie np. fibertex F-43S,
• odprowadzenie do odbiornika przy użyciu rury pełnościennej.

Korzystne właściwości tego typu drenażu pod względem hydraulicznym to znaczne opóźnienie spływów oraz doskonała filtracja wody deszczowej.

Szczególnymi zaletami drenażu francuskiego są:

• niskie koszty budowy
• odporność na uszkodzenia
• długi okres bezawaryjnej eksploatacji
• minimalny spadek podłużny (wystarczy 0,1%),

W kontekście niniejszego artykułu to właśnie minimalny spadek jest tą korzystną cechą, która może zadecydować o uniknięciu budowy przepompowni wód deszczowych.

Zdecydowanie niepolecanym sposobem zagospodarowania wód deszczowych jest zastosowanie bezodpływowych szczelnych zbiorników odparowujących, bardzo rozpowszechnione w opracowaniach drogowych, może nie z uwagi na walory techniczne, a głównie z powodu bezproblemowego obejścia wszelkich uzgodnień.

Średnia roczna suma opadów wynosi w Polsce około 600 mm. Najniższe opady odnotowuje się na Pojezierzu Kujawskim, a największe na obszarze południowej Polski. W Sudetach i Karpatach przekraczają 1000 mm, a w Tatrach 1700 mm.

Jeżeli te dane zestawimy z wysokością parowania z powierzchni lustra wody wynoszącą w naszym klimacie około 360÷400 mm w skali roku, to mamy odpowiedź dlaczego tego rozwiązania nie należy stosować.

Przepompownia wód deszczowych – proponowane wymiarowanie

Przepompownia wód deszczowych nie powinna być obiektem samodzielnym pozbawionym zbiornika retencyjnego zabezpieczającego wahania dopływu oraz bez skutecznego przelewu awaryjnego.

Racjonalnym założeniem projektowym dla przepompowni deszczowych jest przyjęcie wydajności nominalnej obiektu dla deszczu o natężeniu q = 15 l/sha. Różnica między maksymalnym natężeniem deszczu, obliczonego według wzoru Błaszczyka*, a wydajnością przepompowni powinna być przejęta przez zbiorniki retencyjne lub alternatywne formy retencji, zlokalizowane powyżej przepompowni o czasie przetrzymania nie krótszym niż t = 15 min. Częstotliwość występowania deszczu należy przyjmować następująco:

C = 1 dla terenów o zabudowie willowej
C = 2 dla terenów zabudowy mieszkaniowej
C = 5 centra miast

*) Wzór Błaszczyka

gdzie:
q – maksymalne natężenie deszczu
H – opad roczny
C – częstotliwość wystąpienia deszczu
tmax – maksymalny czas trwania deszczu

Podsumowanie

Rozwiązywanie problemu odprowadzania wód deszczowych przy użyciu przepompowni to generalnie nie najlepszy pomysł. Należy dążyć do rozwijania wszelkich form retencji w zlewniach, tak by umożliwić grawitacyjny spływ wód w miarę możliwości w kontrolowany sposób. Bez zmian w planowaniu przestrzennym będziemy niestety brnęli w skomplikowane rozwiązania z zastosowaniem coraz większej ilości przepompowni. Konsekwencją takiego stanu rzeczy będą wysokie koszty odbioru wód deszczowych, które zgodnie z nowym Prawem Wodnym zostaną przerzucone na wszystkie podmioty korzystające z kanalizacji deszczowej, również zwykłych obywateli.