Jak obliczyć ilość wód opadowych?

John Green, w jednej ze swojej książek napisał[1]J. Green, Szukając Alaski, wydawnictwo Znak, rok 2007.: „Gdyby ludzie byli deszczem, to ja byłbym mżawką, a ona huraganową ulewą.” Chociaż deszcz towarzyszy nam w Polsce nieustannie, wciąż wielu inżynierów nie wie jak poprawnie obliczyć ilość wód opadowych przypadających na daną zlewnię. Celem niniejszego artykułu jest pokazanie Ci Drogi Czytelniku, w jaki sposób przeprowadzić poprawne obliczenia ilości wód opadowych z wykorzystaniem aktualnych danych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej oraz oczywiście obowiązujących przepisów.

Obowiązujące przepisy

Instalację kanalizacji opadowej należy zaprojektować zgodnie z normą:

  • PN-B-01707:1992: „Instalacje kanalizacyjne – Wymagania w projektowaniu”.

Zwrócić tutaj należy fakt, że powyższa norma została wycofana w 2009 roku, jednakże zawarte w niej dane dotyczące sposobu przeprowadzania obliczeń kanalizacji opadowej cały czas są obowiązujące.

Założenia projektowe

Na potrzeby niniejszego artykułu, przyjmijmy, że plan zagospodarowania terenu wygląda zgodnie z poniższym rysunkiem, który został przedstawiony poniżej oraz znajduje się we Wrocławiu.

Pola powierzchni terenów zielonych, utwardzonych oraz połaci dachowych budynku „A” o nachyleniu 30º, które znajdują się na przedmiotowej działce są następujące:

  • tereny zielone: 1031,72 m2
  • tereny utwardzone: 275,25 m2
  • połać dachowa: 164,02 m2

Obliczenia hydrauliczne

Natężenie deszczu

Natężenie deszczu miarodajnego oblicza się przy wykorzystaniu wzoru Błaszczyka[2]W. Błaszczyk, M. Roman, H. Stamatello, Kanalizacja, wydawnictwo Arkady, rok 1974.:

    \[ q = \frac{6,631 \cdot \sqrt[3]{H^{2} \cdot C}}{t^{0,667}} \]

  • q – natężenie deszczu miarodajnego, dm3 / (s · ha)
  • H – średnia suma rocznych opadów z wielolecia, mm
  • C – ilość lat przypadająca na jedno zdarzenie deszczu o natężeniu q, lata
  • t – czas trwania deszczu o natężeniu q, min

Na potrzeby obliczeń przyjmijmy deszcz miarodajny o czasie trwania 15 min oraz o prawdopodobieństwie wystąpienia 50 % (czyli przypadającego raz na dwa lata).

    \[ C = \frac{1}{0,5} = 2 \]

Średnią sumę rocznych opadów z wielolecia należy wziąć z danych, które są udostępniane dzięki Instytutowi Meteorologii i Gospodarki Wodnej. W zależności od potrzeb oraz własnego uznania, możemy skorzystać z dwóch wariantów: A i B.

Wariant A

Należy wejść na stronę internetową serwisu Pogodynka, który jest oficjalnym serwisem pogodowym Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej Państwowego Instytutu Badawczego w Polsce) oraz wybrać interesujące nas miasto. Następnie, z danych na stronie należy odczytać średnią sumę rocznych opadów z wielolecia, wyrażoną w mm.

Wariant B

Należy wejść na stronę internetową Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej, a następnie znaleźć na stronie Dane archiwalne oraz Dane pomiarowo obserwacyjne.  W kolejnych krokach należy wejść w następujące foldery: Dane meteorologiczne, Miesięczne oraz Opady. Następnie powinniśmy mieć foldery dla poszczególnych lat oraz jeden plik tekstowy, który przestawia strukturę zapisu danych w plikach udostępnianych przez IMGW w Polsce. Mając taką bazę informacji, jesteśmy w stanie naprawdę bardzo dokładnie określić parametr H.

Co więcej, aktualne stacje meteorologiczne możemy sprawdzić na tej stronie.

Przykład

Chcemy wyznaczyć średnią sumę rocznych opadów z wielolecia dla Wrocławia, ale uwzględniając jedynie opady, na przestrzeni dwóch, ostatnich lat (2017 oraz 2018).

Odszukujemy na tej stronie dane meteorologiczne dla miesięcznych opadów atmosferycznych w latach 2017 oraz 2018.

Dla roku 2017 odnajdujemy stację meteorologiczną Wrocław – Strachowice oraz sumujemy ilość opadów z wszystkich miesięcy, zgodnie z poniższą tabelą[3]Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Państwowego Instytutu Badawczego, Dane pomiarowo – obserwacyjne, https://dane.imgw.pl (dostęp 29.12.2019 roku)..

MiesiącMiesięczna suma opadów [ mm ]
Styczeń14,5
Luty21,3
Marzec35,3
Kwieceń61,8
Maj28,3
Czerwiec58,1
Lipiec148
Sierpień46,2
Wrzesień65,1
Październik75,2
Listopad35,3
Grudzień30,2
Σ619,3

Wykonujemy powyższą czynność tak samo, ale dla roku 2018[4]Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Państwowego Instytutu Badawczego, Dane pomiarowo – obserwacyjne, https://dane.imgw.pl (dostęp 29.12.2019 roku)..

MiesiącMiesięczna suma opadów [ mm ]
Styczeń17,6
Luty1,9
Marzec30,8
Kwieceń25,3
Maj41,2
Czerwiec62,8
Lipiec100,8
Sierpień16,8
Wrzesień45,9
Październik34,7
Listopad15,4
Grudzień48,2
Σ441,4

Następnie obliczamy średnią arytmetyczną uwzględniając dwa lata, dla których zostały przeprowadzone obliczenia:

    \[ C = \frac{619,3 + 441,4}{2} = 530,35 \  mm \]

Zgodnie z powyższymi obliczeniami, średnia suma rocznych opadów z wielolecia dla Wrocławia (uwzględniając dane zarejestrowane przez stację meteorologiczną Wrocław – Strachowice) przy uwzględnieniu jedynie dwóch ostatnich lat wynosi 530,35 mm.

Jak sam zapewne zauważyłeś, w zależności od potrzeb oraz własnego uznania możesz przeprowadzać wszelakie analizy – od tych najprostszych po bardzo szczegółowe.

W związku z powyższym, natężenie deszczu miarodajnego w naszym przypadku będzie wynosić:

    \[ q = \frac{6,631 \cdot \sqrt[3]{530,35^{2} \cdot 2}}{15^{0,667}} = 89,92 \  \frac{dm^{3}}{s} \]

Przepływ obliczeniowy

Przepływ obliczeniowy ze zlewni oblicza się przy wykorzystaniu wzoru z normy PN-B-01707:1992[5]Polski Komitet Normalizacyjny, PN-B-01707:1992 (wersja polska), Instalacje kanalizacyjne – Wymagania w projektowaniu.:

    \[ q_{d} = \Psi \cdot A \cdot \frac{I}{10000} \]

  • qd – przepływ obliczeniowy, dm3/s
  • Ψ – współczynnik spływu
  • A – powierzchnia odwadniana, m2
  • I – miarodajne natężenie deszczu, dm3 / (s · ha)

Alternatywnie, powyższy wzór można rozbudować do postaci:

    \[ q_{d} = \Psi \cdot A \cdot \varphi \cdot \frac{I}{10000} \]

  • φ – współczynnik opóźnienia

Korzystając z powyższego wzoru, przepływ obliczeniowy obliczamy dla każdej zlewni (połaci dachowej, terenu utwardzonego, itp.).

Współczynnik spływu Ψ uzależniony jest od rodzaju powierzchni, dla której obliczmy przepływ. Większość wartości dla tego współczynnika podana jest w normie PN-B-01707:1992.

Powierzchnia odwadniana określana jest na podstawie projektu (powierzchnia połaci dachowej, powierzchnia terenu utwardzonego, itp.).

Współczynnik opóźnienia określany jest indywidualnie przez Projektanta.

Obliczenia dla poszczególnych zlewni

W naszym przypadku rozpatrujemy przede wszystkim dwie zlewnie: połać dachową oraz tereny utwardzone. Dodatkowo, na potrzeby niniejszego przykładu możemy dołożyć trzecią zlewnię, tj. tereny zielone.

Połać dachowa

Aby obliczyć ilość wód odwadnianych z połaci dachowej korzystamy ze wzoru podanego powyżej, a więc:

    \[ q_{d} = \Psi \cdot A \cdot \frac{I}{10000} \]

  • powierzchnia połaci dachowej wynosi 164,02 m2
  • zgodnie z normą PN-B-01707:1992, współczynnik spływu dla połaci dachowych o kącie nachylenia powyżej 15º wynosi 1,0[6]Polski Komitet Normalizacyjny, PN-B-01707:1992 (wersja polska), Instalacje kanalizacyjne – Wymagania w projektowaniu.

W związku z powyższym, ilość wód pochodząca z połaci dachowej naszego budynku przy założeniu, że obliczeń dokonujemy dla deszczu miarodajnego o czasie trwania 15 min i prawdopodobieństwie wystąpienia równym 50 % (czyli przypadającego raz na dwa lata) wynosi:

    \[ q_{d} = 1 \cdot 164,02 \cdot \frac{89,92}{10000} = 1,48 \  \frac{dm^{3}}{s} \]

Tereny utwardzone
  • powierzchnia terenów utwardzonych wynosi 275,25 m2

Norma PN-B-01707:1992 nie określa współczynnik spływu dla terenów utwardzonych, w związku z powyższym, współczynnik ten musi zostać określony przez Projektanta. Na potrzeby niniejszego przykładu, przyjmijmy współczynnik Ψ dla terenów utwardzonych na poziomie 0,9.

W związku z powyższym, ilość wód pochodząca z terenów utwardzonych wokół naszego budynku przy założeniu, że obliczeń dokonujemy dla deszczu miarodajnego o czasie trwania 15 min i prawdopodobieństwie wystąpienia równym 50 % (czyli przypadającego raz na dwa lata) wynosi:

    \[ q_{d} = 0,9 \cdot 275,25 \cdot \frac{89,92}{10000} = 2,23 \  \frac{dm^{3}}{s} \]

Tereny zielone
  • powierzchnia terenów zielonych wynosi 1031,72 m2

Norma PN-B-01707:1992 nie określa współczynnik spływu dla terenów zielonych, w związku z powyższym, współczynnik ten musi zostać określony przez Projektanta. Na potrzeby niniejszego przykładu, przyjmijmy współczynnik Ψ dla terenów zielonych na poziomie 0,15.

W związku z powyższym, ilość wód pochodząca z terenów zielonych wokół naszego budynku przy założeniu, że obliczeń dokonujemy dla deszczu miarodajnego o czasie trwania 15 min i prawdopodobieństwie wystąpienia równym 50 % (czyli przypadającego raz na dwa lata) wynosi:

    \[ q_{d} = 0,15 \cdot 1031,72 \cdot \frac{89,92}{10000} = 1,39 \  \frac{dm^{3}}{s} \]

Całkowita ilość wód opadowych

Całkowita ilość wód opadowych odprowadzana z terenów przedmiotowej działki stanowi sumę wód opadowych odprowadzanych z poszczególnych zlewni, a więc:

    \[ q_{c} = 1,48 + 2,23 + 1,39 = 5,1 \  \frac{dm^{3}}{s} \]

Podsumowanie

Jak zapewne sam zauważyłeś, obliczenia dotyczące wód opadowych nie są dość skomplikowane, natomiast wymagają wiedzy gdzie znaleźć odpowiednie współczynniki oraz dane. Tutaj przychodzi nam z pomocą serwis IMGW w Polsce, który udostępnia bardzo dokładne dane oraz norma PN-B-01707:1992, w którą powinieneś się zaopatrzyć.

Pamiętaj, że przyjmując deszcz miarodajny o coraz mniejszym prawdopodobieństwie wystąpienia lub coraz krótszym czasie trwania, ilość wód opadowych odprowadzana z każdej zlewni będzie coraz to większa. Oczywiście w takim przypadku, zaprojektowana przez Ciebie kanalizacja opadowa zapewni większy margines bezpieczeństwa, ale ważne jest tutaj to, aby nie przesadzić oraz uwzględnić koszty budowy kanalizacji. Osobiście uważam, że w większości przypadków przyjmując czas trwania deszczu miarodajnego na poziomie 15 minut oraz prawdopodobieństwo wystąpienia deszczu równe 20 % (czyli deszcz przypadający raz na pięć lat) zapewnia najlepszy kompromis pomiędzy bezpieczeństwem, a ceną budowy.

Bonus

Dostęp do materiałów Premium
Aby otrzymać dostęp do materiałów Premium podaj proszę swoje imię oraz swój adres e-mail. Zaraz po tym, link z dostępem do materiałów Premium zostanie wysłany na podany adres.
Twoje imię
Twój adres e-mail
Wysłanie powyższych danych jest jednoznaczne z wyrażeniem zgody na otrzymywanie informacji o nowościach, promocjach, produktach i usługach oferowanych przez serwis swiadomyprojektant.pl.

Powyższy artykuł nie obejmuje swoim zakresem odprowadzenia wód opadowych i roztopowych poprzez system drenarski. Dlatego, jeżeli tylko chciałbyś się dowiedzieć, jak obliczyć ilość wód odprowadzanych za pomocą drenażu, odbierze bezpłatny prezent, który specjalnie dla Ciebie przygotowałem. Aby to zrobić, wystarczy, że klikniesz w poniższy link.

Aby odebrać darmowy prezent, kliknij w powyższy obrazek.

Przypisy

Przypisy
1 J. Green, Szukając Alaski, wydawnictwo Znak, rok 2007.
2 W. Błaszczyk, M. Roman, H. Stamatello, Kanalizacja, wydawnictwo Arkady, rok 1974.
3, 4 Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Państwowego Instytutu Badawczego, Dane pomiarowo – obserwacyjne, https://dane.imgw.pl (dostęp 29.12.2019 roku).
5, 6 Polski Komitet Normalizacyjny, PN-B-01707:1992 (wersja polska), Instalacje kanalizacyjne – Wymagania w projektowaniu.