Hydrauliczny model kanalizacji deszczowej – ekstrawagancja, czy konieczność?

W przypadku skomplikowanego systemu sieci kanalizacji deszczowej nie jest rzeczą łatwą na podstawie samych informacji o podtopieniach wnioskować o przyczynach, które leżą u podstaw problemów z odprowadzeniem wód opadowych. Mnogość możliwych czynników sprawia, że intuicyjne rozwiązania nie zawsze są optymalne.

Najkorzystniejszym rozwiązaniem wydaje się sporządzenie modelu hydraulicznego kanalizacji deszczowej, który weźmie pod uwagę wszystkie czynniki wpływające na pracę systemu kanalizacji deszczowej. Arcadis, w konsorcjum z firmą OPEGIEKA, wykonała tego typu opracowanie dla jednego z miast o populacji ok. 100 tys. w północnej części Polski. 

Podstawowymi danymi o sieci kanalizacji deszczowej są rzędne dna studzienek kanalizacyjnych oraz średnice i rzędne wlotu oraz wylotu dla kolektorów. W dobrej sytuacji są podmioty, które na bieżąco aktualizują te informacje i gromadzą je w bazach danych. W analizowanym przypadku źródłem informacji była mapa zasadnicza. Trzeba mieć świadomość, że sama mapa zasadnicza, która jest dostępna w formacie odczytywanym przez oprogramowanie CAD, nie stanowi jeszcze bazy danych. Na warstwie z kanalizacją umieszczone są osie lub – przy większych średnicach – granice zewnętrzne kolektorów kanalizacji deszczowej, sanitarnej i ogólnospławnej. Sama geometria potrzebuje też zapewnienia spójności topologicznej, która na mapie zasadniczej nie jest zachowana.

Do celów stworzenia modelu numerycznego, oprócz geometrii z mapy zasadniczej, potrzeba było również wyeksportować wyżej wymienione parametry dla studni i kolektorów, które w źródłowym rysunku umieszczone są jako etykieta tekstowa, niepołączona jednoznacznie z opisywanym obiektem.  Dzięki innowacyjnym narzędziom informatycznym w środowisku GIS, opracowanym na potrzeby projektu, udało się w ograniczonym do niezbędnego minimum czasie z 1 300 km kolektorów wyodrębnić 650 km kanalizacji deszczowej, z czego do modelu hydraulicznego zakwalifikowane zostało 350 km kolektorów wraz z 15 000 studni. Parametry z etykiet tekstowych zostały połączone z odpowiednimi obiektami. Trzeba zakładać, że dane dostępne na mapie zasadniczej będą zawierać błędy. W przypadku opisywanego projektu szacowana liczba błędnych rzędnych wyniosła ok 5%, co dla samych rzędnych dna studni daje blisko 1000 wartości do przejrzenia i weryfikacji. W przypadku planowania podobnych opracowań należy przewidzieć czas i środki na wizje lokalne i pomiary w terenie, które zweryfikują dane z innych źródeł.

Mając sieć kanalizacji deszczowej odwzorowaną w trzech wymiarach trzeba określić, ile wody będzie zasilać poszczególne węzły modelu w przypadku zadanego obciążenia sieci. W tym celu trzeba określić stopień nieprzepuszczalności dla zlewni poszczególnych węzłów. Można w tym celu posiłkować się np. użytkowaniem terenu z bazy BDOT. Najdokładniejszą informację niesie jednak wykonanie i opracowanie pod tym względem aktualnych ortofotomap. W przypadku opisywanego opracowania zdecydowano się na informacje ze zdjęć lotniczych, tym bardziej, że aktualne dane pozwalają na inwentaryzację obszarów nieprzepuszczalnych na działkach pod kątem ew. opłat za odprowadzanie deszczówki.

Biorąc pod uwagę, że inwestycje dotyczące deszczówki mają służyć przez lata, nie można zatrzymać się na sytuacji istniejącej. Dlatego w opisywanym opracowaniu stworzono scenariusze obciążenia deszczem zarówno w sytuacji z dnia dzisiejszego jak również w związku ze zmianami klimatu do roku 2050. Wariant przyszłościowy uwzględniał również szacowane zmiany zagospodarowania terenu w zlewniach kolektorów. Żeby zobrazować rząd wielkości zmian, obciążenie opadem szacowanym dla zmian do roku 2050 spowodowało wzrost liczby wybijanych studzienek o ok 12% i wzrost długości przeciążonych kolektorów kanalizacji deszczowej o ok. 4% dla deszczu o prawdopodobieństwie przekroczenia 20% (statystycznie raz na 5 lat).

Przy wyborze oprogramowania do modelowania systemów kanalizacji deszczowej istnieje wiele alternatyw – darmowe rozwiązania, jak SWMM, oprogramowanie komercyjne takie jak Mike Urban oparty o GIS, lub produkty firmy Bentley oparte na oprogramowaniu CAD. Ze względu na możliwość integracji w jednym modelu przepływów w przewodach zamkniętych (kolektory) i otwartych (rowy melioracyjne), do modelowania w przypadku tego opracowania wykorzystano oprogramowanie Mike Urban, którego łatwa integracja ze środowiskiem baz danych GIS pozwala na automatyzację niektórych kroków związanych z przygotowaniem modelu, skracając czas potrzebny na jego wykonanie.

Jako wynik zamawiający otrzymał warstwy GIS będące inwentaryzacją posiadanej sieci. Opracowano również mapy z zaznaczonymi przeciążonymi kolektorami oraz wybijającymi studzienkami. Zamawiającemu przekazano też działający, edytowalny model hydrauliczny, którego analiza pozwala rozpoznać rzeczywiste przyczyny zaistniałych problemów z odprowadzeniem wody deszczowej. Posiadanie edytowalnego modelu pozwoli na sprawdzenie proponowanych rozwiązań pod względem efektywności nie tylko w sposób jakościowy, ale też ilościowy. Pracownicy Zamawiającego zostali przeszkoleni w użytkowaniu oprogramowania zarówno pod względem przeglądania wyników, jak też wprowadzania zmian w sieci kanalizacji deszczowej. Pozwoli to np. badać wpływ planowanych inwestycji na zarządzanym terenie na odprowadzanie deszczówki i uwzględnianie wyników przy wydawaniu warunków technicznych przyłączenia do kanalizacji deszczowej.

Na podstawie wyników modelowania zidentyfikowano 43 miejsca problemowe. Dla każdego z nich zaproponowano kilka wariantów rozwiązań, a następnie na podstawie analizy wielokryterialnej wytypowano optymalne rozwiązania. Pozwoliło to stworzyć całościową koncepcję zarządzania wodami opadowymi na analizowanym terenie.

Podsumowując: tylko modelowanie hydrauliczne pozwala zdiagnozować w sposób ilościowy rzeczywiste przyczyny problemów związanych z zagospodarowaniem wód opadowych na terenach zurbanizowanych. Opracowane przez konsorcjum Arcadis – OPEGIEKA opracowanie było jednym z pierwszych tego typu w Polsce. Ze względu na użyteczność narzędzi powstających przy podobnych opracowaniach, a pozostających w rękach zarządców sieci, trzeba mieć nadzieję, że ilość tego typu opracowań z wykorzystaniem modeli numerycznych będzie wzrastać.