Je efektívne využitie zrážkových vôd z povrchového odtoku? (II)

1. Užívateľské režimy
Zrážková voda z povrchového odtoku (ďalej iba ZVPO) je alternatívnym zdrojom vody a tam, kde je k dispozícii aj iný zdroj, môže sa rozdielnym spôsobom využívať. Ak pri objekte existuje napríklad aj zdroj podzemnej vody do maximálnej vzdialenosti 1 km (tzv. alternatívny zdroj), ZVPO poskytne spoľahlivý zdroj vody po väčšiu časť roka, čo má vplyv i na životný štýl užívateľa. Počas mesiacov, kedy je voda zo zrážok k dispozícii, znamená markantné šetrenie času a energie užívateľa.
Väčšinu systémov využitia ZVPO je možné klasifikovať podľa "zabezpečenia vodou" alebo "spoľahlivosťou" poskytovanou systémom do 4 typov užívateľských režimov:

1.1 Príležitostný režim
Voda sa zachytáva príležitostne pomocou malého akumulačného objemu, ktorý užívateľovi umožňuje uchovávať dostatok vody na najviac 1 až 2 dni. Počas obdobia so zrážkami to znamená, že užívateľ bude profitovať z toho, že má takýto systém, a väčšina, prípadne všetky požiadavky užívateľa budú v tomto čase splnené. Po dvoch dňoch suchého počasia sa užívateľ vracia k použitiu alternatívneho zdroja vody.
Tento systém sa hodí pre podnebie s rovnomernými zrážkami alebo s malým počtom suchých dní počas roka a tam, kde je možnosť alternatívneho zdroja vody.

1.2 Prerušovaný režim
Tento systém je vhodný v situáciách, kedy sú požiadavky užívateľa splnené v časti roka. Napríklad tam, kde je obdobie jednotlivých dlhých dažďov a počas tejto doby väčšina, prípadne všetky požiadavky užívateľa budú v tomto čase splnené. Počas suchých období sa musí použiť záložný zdroj vody (napr. v Srí Lanke sa voda dováža z blízkej rieky a akumuluje sa v nádržiach ZVPO).
Na preklenutie dní bez zrážok sa požadujú malé alebo stredné veľkosti nádrží.

1.3 Čiastočný režim
Poskytuje čiastočné pokrytie požiadaviek užívateľa na vodu počas celého roka. Príkladom môže byť použitie ZVPO iba pre pranie, respektíve polievanie. Ostatné potreby, ako sú splachovanie toaliet, sa napĺňajú zdrojom s ešte nižšou kvalitou vody. Dá sa to dosiahnuť buď v oblasti s rovnomernými zrážkami a malou až strednou akumulačnou kapacitou alebo v oblastiach s jedným maximálne dvoma krátkymi obdobiami dažďa a väčšou akumulačnou kapacitou na pokrytie potrieb počas obdobia sucha.

1.4 Úplný režim
Pri tomto systéme sa celkové požiadavky užívateľa na vodu počas celého roka napĺňajú iba ZVPO. V niektorých oblastiach sveta je to jediný možný zdroj vody. Aby sa naplnili požiadavky užívateľa, požadujú sa dostatočné:

zrážky; záchytná plocha; akumulačný objem.

Predovšetkým u tohoto systému je nutné vykonať pozorné štúdium a návrh, aby sa zaistila vhodnosť v oblastiach, kde sa striedajú obdobia sucha a dažďa, pretože nádrž sa bude napĺňať počas oboch období. Požaduje sa i prísny manažment vody, aby v situáciách, keď je silná závislosť na akumulovanej vode, zdroj nevyschol ešte predtým, než sa očakáva.

2. Modelovanie systému využitia ZVPO
2.1 Údaje potrebné k modelovaniu a simulácii
Zoznam požadovaných údajov pre vykonanie modelovania predpokladaného výkonu systému využitia zrážkovej VPO zahŕňa:

plochu strechy A a koeficient odtoku C, nominálna ("normová") denná požiadavka vody Qrd, návrhy užívateľa na použitú stratégiu riadenia pre výber požiadavky v špeciálnom dni ako viacnásobnú, väčšiu alebo menšiu ako 1 z nominálnej požiadavky, dostatočne dlhý záznam zrážok z minulosti, ktorý bude spoľahlivým indikátorom pre predpoklad budúcnosti, navrhovaná veľkosť nádrže V.

Veľkosť nádrže sa dá vyjadriť prostredníctvom priradeného času zdržania vody τ, definovanej podľa (5)

τ = V / Q_rd                                   (1)

kde
V    je objem zásobnej nádrže (l)
Q_rd nominálna denná požiadavka VPO (l/d).

Všeobecne sa majú zrážkové údaje na presné riadenie akéhokoľvek modelu tejto nádrže vyjadriť v časových krokoch kratších ako τ. Nízko-nákladové systémy využitia VPO (a rovnako aj s nízkou bezpečnosťou) s nádržou menšou ako pre 15 dňovú kapacitu (τ < 15) vyžadujú denné údaje, zatiaľ čo vysoko bezpečné systémy so zásobou v nádrži na 3 mesiace je lepšie modelovať pomocou mesačných údajov.
Dĺžka požadovaných záznamov o zrážkach závisí hlavne na úrovni spoľahlivosti zásoby zdroja. Veľké systémy, ktoré tvoria významný zdroj, musia byť modelované s dlhodobou následnosťou údajov (asi 25 rokov), aby sa vyzdvihli extrémne klimatické udalosti. Nízko-nákladové systémy (pre rodinné domy) sa môžu výhodne modelovať s 5 alebo 10 ročnou následnosťou alebo s nekompletnými záznamami, kde do prázdnych miest môžu byť zakomponované zodpovedajúce údaje z predchádzajúcich rokov.

Pri odhadovaní účinnosti systémov využitia vôd z povrchového odtoku zachytených na strechách je potrebná detailná znalosť o type a kvalite strešných materiálov, odparenom množstve vody atď., ktoré vo všeobecnosti nie sú k dispozícii. To umožňuje, aby sa pri popise ich hydrologického správania použili jednoduché modely. Nasledovná rovnica popisuje zrážko-odtokový proces

V_o = ν_r . C . A_eff                           (2)

kde
V_o   je objem odtekajúcej vody (m³),
ν_r    výška dažďa (mm),
A   plocha strechy (m²),
C   koeficient odtoku.

Iba časť plochy A účinne prispieva k odtoku. Preto A_eff = C.A je pomenovaná ako účinná plocha. C sa odlišuje od rovnakého termínu používaného v rámci urbanistickej dažďovej kanalizácie, kde je najdôležitejší extrémny odtok a vyparovanie je ohraničené. Vo vzťahu k využitiu vôd z povrchového odtoku C odráža priemerné správanie odtokového povrchu (napr. počas roka), ktorý zahŕňa účinok vyparovania, topenie snehu a pod.

Hmotná rovnováha zásobnej nádrže sa môže vyhodnotiť použitím hydrologického akumulačného modelu s vysoko technickým riešením série časov zrážok ako vstupov pre simuláciu. Výsledok závisí na účinnom povrchu plochy A_eff, objeme nádrže V a spotrebe vody z nádrže Q, zatiaľ čo čas prúdenia z povrchu do nádrže (zvyčajne nepresahujúci pár minút) sa môže zanedbať. Použitím účinnej plochy A_eff ako limitujúceho faktoru, zostanú len dva dôležité parametre, menovite nominálny akumulačný objem (V_n) a nominálna spotreba vody (q).

(3)

Obrázok 1 zobrazuje výsledky z počítačových simulácií zásobných nádrží na vodu z povrchového odtoku. Ukazuje množstvo vody z povrchového odtoku na základe ročného merania ako funkciu špecifickej spotreby vody a ilustruje to, že veľká zásobná nádrž alebo veľká spotreba vody umožní zachytiť viac vody. Optimálne vychádza použitie asi 4 m³ nádrže na 100 m² účinnej plochy.

a) Zachytené zrážky za rok (m³/rok/100 m² účinnej plochy)
Zadržaná zrážková voda pre rôzne veľkosti nádrží (0,5; 1; 2; 3; 4 a 6 m³ na 100 m² účinnej plochy)

b) Pomer zachytenia (%)
Normalizované krivky udávajúce pomer zachytenia (v %) pre rôzne úrovne priemerných ročných zrážok

Obr. 1 - Výsledky z počítačových simulácií zásobných nádrží na ZVPO

2.2 Účinnosť systému
ZVPO má všeobecne vysokú kvalitu. Problémom pre jej využití je ale stochastická povaha zrážkových udalostí, čo si vyžaduje veľké akumulačné kapacity. Ak však objem nádrže bude minimálny, zníži sa riziko spojené s mikrobiálnou kontamináciou. Je nutné veľmi pozorne zvážiť všetky vstupné údaje, aby bol systém skutočne účinný a racionálny. Preto je nevyhnutné vyvinúť počítačový model.

V zahraničnej odbornej literatúre je na predpovedanie dlhodobého výkonu zariadení využívajúcich ZVPO popísaná simulačná technika Monte Carlo. Výsledky modelu poukazujú na podstatné vlastnosti vzhľadom na počet obyvateľov domácnosti, plochu strechy, typ zariaďovacích predmetov a objem nádrže a ich šetriaci účinok voči klasickým systémom.

Volumetrický model predstavuje systém akumulačnej nádrže, ktorý simuluje zachytávanie vôd zo zrážkového odtoku z danej plochy strechy. Objemy vyprázdňovania vyplynuli z krátkodobého pozorovania použitia zariaďovacích predmetov v domácnosti a boli skonfrontované s údajmi uvedenými v literatúre (tabuľka 1). Z týchto údajov bolo odvodené na každú hodinu a deň pre obyvateľa (1 až 5 obyvateľov) rozdelenie kumulatívnej frekvencie. Týmto spôsobom sa môže model použiť na odhad účinnosti počas dlhšej doby. Vstupné údaje pre model tvoria hodinové série zrážkových údajov počas jedného roka. Ako v skutočnej praxi, ak sa presiahne akumulačný objem, nadbytok vody odtečie do kanalizácie. Ak je naopak vody v nádrži nedostatok, rozdiel vyrovná pitná voda.

Účinnosť systému je všeobecne popísaný jeho účinnosťou šetrenia vodou (ET), ktorá je meradlom, koľko pitnej vody sa dá ušetriť v porovnaní s celkovou požiadavkou. V prípade použitia zachytenej vody iba pre WC v tomto prípade, platí rovnica (4).

(4)

kde
T      je dĺžka trvania prevádzky (h);
t      čas (h);
O_t    odtok z nádrže (l);
Q_wc  požiadavka na množstvo vody pre splachovanie WC (l/d).

Hodnotenie súčastí modelu, ako je počet obyvateľov, kapacita nádrže, plocha strechy môžu byť pri simulácii rôzne a v širokom rozsahu prevádzkových podmienok, v krátkodobých i dlhodobých.

Počet obyvateľov	Počet domov v kategórii	Celkom (l)	Vane (l)	Sprchy (l)	Umýv. (l)	WC (l)	Práčky (l)
1	6	126,4	20,8	47,0	19,9	30,9	7,8
2	9	126,0	20,9	29,9	26,6	39,7	8,9
3	3	74,6	10,8	6,9	18,2	30,1	8,6
4	7	81,3	11,4	17,3	12,2	25,8	14,5
5	3	61,3	5,1	8,9	13,0	23,5	10,8

Tab. 1 - Denný objem použitia jednotlivých zariaďovacích predmetov (namerané údaje z oblasti Košíc)

2.3 Výsledky simulácie
Výsledky simulačného programu ukázali účinok a dôležitosť rôznych parametrov v hodnotení účinnosti šetrenia vodou. Citlivosť systému pri zmenách kľúčových parametrov ukazujú obrázky 2 a 3. Schéma modelu systému je na obrázku 4.

Model bol v činnosti 1 rok. Hodnoty vstupných parametrov: WC = 9 l, Počet obyvateľov = 4, plocha strechy = 20 m².
Z výskumu vyplynulo, že s rastúcim počtom obyvateľov klesá spotreba vody. Rovnaký trend má i účinnosť systému šetrenia vody s počtom obyvateľov a objemom akumulačnej nádrže. Podľa výsledkov modelu pri využití iba ZVPO s akumulačnou nádržou 300 litrov sa dosahuje účinnosť šetrenia v rozsahu 30 - 60 % v závislosti na účinnej ploche strechy (viď obr. 3). Zvýšenie objemu nad 200 l neprináša významné zvýšenie úspor vody. Úspory sú badateľné aj pri malých objemoch (< 100 l). Tie vedú k zníženiu nákladov a požiadaviek na priestor, ako aj k zmenšeniu rizika zníženia kvality vody.

Obr. 2 - Citlivosť systému využitia zrážkových vôd z povrchového odtoku
na zmenu počtu obyvateľov so zvyšujúcim sa objemom akumulačnej nádrže

Obr. 3 - Účinok zvyšujúceho sa objemu akumulačnej nádrže a systému využívajúceho
zrážkové vody z povrchového odtoku zo strechy s účinnou plochou 20, 40 a 60 m²

Obr. 4 - Schéma modelu systému

3. Sumarizácia výsledkov pre systém využitia ZVPO

Systémy využitia zrážkových vôd z povrchového odtoku a účinnosť ich šetrenia vodou závisí od počtu obyvateľov, domy s veľkým počtom osôb vyžadujú väčšiu akumulačnú nádrž ako domácnosti s nižším počtom obyvateľov, ak sa má dosiahnuť rovnaká účinnosť šetrenia vody; Malé úspory vody (20-30 % splachovania WC) sa dajú dosiahnuť použitím systémov s malými objemovými množstvami (10 - 20 l), ktoré majú už vyššie spomínané výhody a dajú sa vbudovať do systému dodatočne; Predimenzovaná strecha mierne kompenzuje poddimenzovanú akumulačnú nádrž; Ak sú užívatelia toho schopní a chcú upraviť svoju spotrebu smerom nadol počas obdobia sucha, alebo keď sa hladina vody v nádrži nachádza nižšie ako obyčajne, nádrž môže byť nadimenzovaná na menšiu veľkosť; Spoľahlivosť konštrukcie systému využitia ZVPO vzrastá s nákladmi na alternatívny zdroj, ktorý sa používa pri prázdnej nádrži.

Obr. 5 - Trend nárastu ceny vody pre domácnosti v Košickom kraji v rokoch 1998-2004

3.1 Environmentálne a ekonomické prínosy

Príprava pitnej vody je stále obtiažnejšia. Hlavne v poľnohospodárstve intenzívne využívaných oblastiach narastá zaťaženie dusičnanmi a pesticídmi hrozivých rozmerov. Na husto osídlených územiach sú to chlórované uhľovodíky, ktoré spôsobujú problémy. Dobrá pitná voda sa stáva stále vzácnejšia, často musí byť vedená diaľkovým potrubím z doteraz menej zaťažených oblastí. Dôsledkom sú vysoké ceny a pokles spodnej hladiny vody v oblastiach, kde sa voda odoberá (obrázok 5). Čerpadlá dopravujú pitnú vodu dlhým potrubím od miesta zdroja až do domu, často zo vzdialenosti viac než 100 km. Aby sa prekonal hydraulický odpor v potrubí a vodný tlak zvládol ešte najvzdialenejší a najvyšší odberný výtok, je pre čerpadlá potrebná elektrická energia. Pri využívaní dažďovej vody je potreba elektrickej energie nižšia, pretože dopravovaná voda neprekonáva dlhé vzdialenosti a aj nie je potrebný veľký výtlak. Pri väčších dažďových zrážkach môže voda stále horšie vsakovať do pôdy, pretože veľké plochy sú blokované cestami, domami a spevnenými plochami. Zrážková voda potom rýchlo odteká kanalizáciou do tokov. Aby sa zabránilo príliš rýchlemu rozvodneniu tokov prívalovými zrážkami, budujú sa zadržiavacie nádrže, ktoré vrátia vodu do tokov, až vodný príval ustane. Takéto priestory zasahujú zreteľne do vzhľadu krajiny, ešte k tomu sú drahé. Zariadenie na ZVPO má také isté účinky ako zadržiavacie nádrže. Zhromažďujú vodu tam, kde zrovna naprší a neodvádzajú ju ihneď do kanalizácie. Naviac nadbytočná dažďová voda môže vsiaknuť do pôdy, čím sa stáva kanalizácia zbytočnou. Dochádza aj k znižovaniu erózie. V jednotnej kanalizácii klesá veľké kolísanie vôd a tým aj nerovnomerné zaťažovanie čistiarní odpadových vôd. Obyvatelia nebudú potrebovať také veľké množstvo vôd a ekosystémy si zachovajú svoju kvalitu.

4. ZÁVER
V súčasnosti na Slovensku je prioritou finančné hľadisko, preto nie je možné plošné využívanie týchto systémov, keďže ich návratnosť je príliš dlhá. Ide približne o niekoľko rokov až desaťročí. Keby štát začal poskytovať nenávratné dotácie ako je to v zahraničí napr. v Nemecku, stali by sa tieto systémy atraktívnejšími. Ak sa časť pitnej vody nahradí ZVPO, vzniká menej odpadovej vody. Ak bude mnoho ľudí využívať ZVPO, môžu byť budované menšie splaškové kanalizácie a čistiarne. Tým sa ušetrí i na stavbe nových alebo väčších čistiarní, čo má za následok menšie poplatky. Obce, ktoré to pochopia, stavbu zariadenia na ZVPO svojim obyvateľom doporučia alebo priamo podporia. Všetko sa odvíja od ceny vody.
Návratnosť systému stúpa s vyššou spotrebou zrážkovej vody, rastom ceny stočného a pitnej vody a inflácie. Pokles návratnosti klesá pri častej poruchovosti systému, rastu ceny elektrickej energie a nižšej využiteľnosti vody. Je preto nevyhnutné vykonávať riadnu údržbu systému.

Literatúra
Vranayová, Z.: Posúdenie trvalej udržateľnosti systémov využitia vôd z povrchového odtoku, Habilitačná práca, Košice, 2003