Úskalí navrhování systémů hospodaření s dešťovými vodami
Požadavky na hospodaření s dešťovou vodou jsou správné, ale často jsou vyšší než je nutné a reálné. Vsakování dešťových vod, zdržení na pozemku, denní úhrn, svedení do vodního toku, do oddílné nebo jednotné kanalizace, to jsou jen příklady co vše je nutné řešit v souvislostech pro konkrétní situaci.
Úvod
V poslední době se lze stále více setkat u orgánů a organizací se snahou prosazování požadavků na hospodaření s dešťovou vodou. Jednoznačně to lze označit za pozitivní krok, i když mnohde se jedná jen o požadavek na výstavbu retenčních prostor. Z velké různorodosti uplatňovaných požadavků je ale zřejmé, že u nás zcela chybí jednotný přístup k této problematice. Obvykle jsou kladeny požadavky na maximální velikost odtoku z povodí, ty ale často vycházejí ze zcela odlišných požadovaných výpočtových vstupů a periodicity, na kterou má být posouzení provedeno. Požadavky byly ve svém důsledku mnohdy mnohem vyšší i než požadovala např. vyhl. 501/2006 Sb. (§20, odst.5 písm. c) vsakování dešťových vod (§ 21 odst. 3) nebo jejich zdržení na pozemku v kapacitě 20 mm denního úhrnu srážek před jejich svedením do vodního toku či do kanalizace pro veřejnou potřebu jednotné či oddílné pro samostatný odvod dešťové vody veřejné dešťové nebo jednotné kanalizace.). Některé požadavky jsou pak formulovány tak, že lze podle nich případně navrhnout retenční objem, ale již je nelze prakticky použít, pokud v areálu dochází k hospodaření s dešťovou vodou (využití pro zálivku, sprchování, apod.). Pokud byla při formulování některých požadavků snaha zpracovatelů, zapracovat do nich i určité pobídky (např. úlevy od stočného, menší nároky na retence, aj.) pro případy, že investor bude využívat prvků hospodaření s dešťovou vodou včetně jejího využití, jejich praktické využití je myslím velmi malé.
Orgány vznášející některé požadavky si podle mne ani mnohdy neuvědomují dosah toho, co prakticky požadují.
Do první části článku jsem proto zařadil porovnání jednoho konkrétního požadavku na velikost odtoku z areálu s návrhem retenčních prostor dle ČSN 75 6261.
V druhé části je probrán vliv zpomalení odtoku na potřebu retenčních kapacit s uvedením předběžných výsledků z obytného areálu, ve kterém byl vybudován odvodňovací systém bez použití kanalizací, tj. s objekty hospodařícími s dešťovou vodou.
Požadavky a návrh retenčního objemu
Při projednávání koncepce odvodnění obytného areálu o velikosti cca 33 ha (s Sr = 11,6 ha) se správcem potoků, v jejichž povodí areál leží, jsem dostal požadavek na zajištění maximálního odtoku z tohoto areálu 10 l/s. Odůvodněn byl tak, že každý areál v tomto povodí má a bude mít povolen maximální odtok 10 l/s. Bylo potvrzeno, že nezáleží na velikosti areálu - tzn. tento limit platí jak pro pozemek rodinného domku, tak pro jakkoliv velký areál, který investor zpracovává (např. kdyby investor teoreticky celý areál rozdělil na 500 samostatných projektů domů měl by celkový povolený odtok 5 000 l/s).
Pro uvedený požadavek nelze prakticky spočítat potřebný retenční prostor klasicky dle ČSN 75 6261 Dešťové nádrže, protože tak dlouhé doby trvání dešťů nejsou k dispozici. Požadavek byl ale dále upřesněn, že maximální odtok 10 l/s-1 má být dodržen při návrhovém dešti doby trvání 15 min. s intenzitou 180 l*s-1*ha-1 (tento déšť mírně převyšuje v daném území intenzitu běžného návrhového deště této doby trvání s 2letou periodicitou). Tento vstupní požadavek umožňuje již jednoduchý návrh retenčních prostor a to na rozdíl od výpočtu podle ČSN 75 6261 pro jakýkoliv poměr velikosti areálu k velikosti požadovaného odtoku.
Protože mi připadalo, že takto požadované návrhové parametry by mohly zvýhodňovat velké areály oproti malým, zpracoval jsem následující porovnání, které v podstatě porovnává požadavky na velikost retenčního objemu a velikost odtoku spočteného podle ČSN 75 6261 s výše uvedenými požadovanými vstupními hodnotami.
Porovnání je provedeno pro tři velikosti modelových areálů a to pro velikost redukované plochy areálu. Jen pro názornost je v závorce uvedena možná celková velikost areálu při jeho zástavbě převážně rodinnými domky s menším podílem řadových domů - koeficient odtoku 0,35.
1. areál - velikost redukované plochy 1 ha (celková plocha cca 2,9 ha)
2. areál - velikost redukované plochy 3 ha (celková plocha cca 8,6 ha)
3. areál - velikost redukované plochy 11,6 ha (celková plocha cca 32,9 ha)
Velikost Sr = 3 ha byla vybrána proto, že pro ni lze (při zadaných vstupních parametrech) ještě s dostupnou řadou dešťů pro 5-ti letou periodicitu provést návrh retenčního objemu podle ČSN 75 6261.
Výpočet potřebných retenčních objemů a ostatních porovnávaných parametrů byl proveden podle ČSN 75 6261 Dešťové nádrže podle čl. 7.4.1.1.
Použité vzorce -
V - objem retenční nádrže [m3]
tc - doba trvání deště [min]
td - ba dotoku stokovou sítí k místu retenční nádrže [min]
qc - intenzita deště [l.s-1.ha-1] odečtená pro dobu tc z redukované čáry náhradních intenzit
Sr - redukovaná plocha povodí k místu retenční nádrže [ha]
qo - specifický odtok z retenční nádrže [l.s-1.ha-1] pod dobu trvání deště
Qo - odtok vod z retenční nádrže [l.s-1] po dobu trvání deště
Pro požadovaný návrhový déšť s návrhovými parametry:
doba trvání tc = 15 min.
s intenzitou i = 180 l/s ha
max. odtok Qo = 10 l/s
byl spočten návrhový retenční objem "V".
V následujících tabulkách jsou uvedeny vypočtené velikosti odtoku při použití retenční nádrže s velikostí určenou dle návrhového deště.
Následně byl spočten průměrný odtok, kterého bude dosaženo při použití vypočtených retenčních objemů ("V"). Porovnání je provedeno pro 3 periodicity deště - 1-letou, 2-letou a 5-ti letou řadu. Kromě návrhového deště byly ve výpočtech použity hodnoty z řady dešťů používaných v Praze.
Doby odtoku byly určeny pouze pro potřeby porovnání pro modelové tvary povodí a průměrné rychlosti v kanalizacích.
Tabulka 1 - Porovnání požadované velikosti odtoku (10 l/s) se skutečnou dle ČSN 75 6261 pro areál Sr=1 ha
td = 2,36 min
Potřebný retenční objem pro návrhové parametry je V = 152 m3
| n | odtok (l/s) | tc (min) | i (l/s ha) |
|---|---|---|---|
| 0,5 | 10 | 15 | 180,0 |
| 1 | 4,6 | 140 | 22,7 |
| 0,5 | 16 | 35 | 88,5 |
| 0,2 | 45 | 20 | 173 |
Tabulka 2 - Porovnání požadované velikosti odtoku (10 l/s) se skutečnou dle ČSN 75 6261 pro areál Sr=3 ha
td = 4,08 min
Potřebný retenční objem pro návrhové parametry je V = 475 m3
| n | odtok (l/s) | tc (min) | i (l/s ha) |
|---|---|---|---|
| 0,5 | 10 | 15 | 180 |
| 1 | 11 | 240 | 14,7 |
| 0,5 | 39 | 35 | 88,5 |
| 0,2 | 100 | 30 | 127 |
Tabulka 3 - Porovnání požadované velikosti odtoku (10 l/s) se skutečnou dle ČSN 75 6261 pro areál Sr=11,6 ha
td=8,03 min
Potřebný retenční objem pro návrhové parametry je V = 1865 m3
| n | odtok (l/s) | tc (min) | i (l/s ha) |
|---|---|---|---|
| 0,5 | 10 | 15,00 | 180,00 |
| 1 | 40 | 240 | 14,7 |
| 0,5 | 127 | 50 | 66 |
| 0,2 | 450 | 20 | 173 |
V prvním řádku tabulky jsou uvedeny parametry požadovaného návrhového deště. Při použití velikosti retenčního prostoru vypočteného dle těchto parametrů, jsou v tabulkách 1-3 uvedeny velikost skutečně povoleného odtoku při výpočtu dle ČSN 75 6261 (pro tři různé periodicity deště). Ve třetím a čtvrtém sloupci jsou uvedeny parametry odpovídajících náhradních dešťů.
Např. při použití retenčního objemu 152 m3 lze pro jednoletý déšť (při plném využití retenčního objemu) snížit velikost odtoku na 4,6 l/s, při dvouletém dešti bude ale již průměrná velikost odtoku 16 l/s a při pětiletém dešti bude průměrná velikost odtoku již 45 l/s. Uvedené hodnoty odtoku při dalších deštích jsou průměrné, tzn. pokud by byl použit navržený retenční objem tak po jeho naplnění dochází k plnému nekontrolovatelnému odtoku.
Z tabulek je zřejmé, že pro malý areál (Sr = 1 ha) je pro jednoleté deště požadavek vlastně přísnější než 10 l/s, pro ještě menší areály bude tato přísnost ještě markantnější i pro větší periodicity dešťů. Pro ostatní periodicity a velikosti areálu je požadavek na maximální odtok 10 l/s mnohde mnohonásobně překročen.
Ze zpracovaných výpočtů lze sestavit další zajímavá srovnání.
V následující tabulce je uveden ve 3÷5 řádku vypočtený potřebný retenční objem pro max. odtok 10 l/s z areálů o Sr = 1 ha a Sr = 3 ha dle ČSN 75 6261. Návrhové parametry jsou stejné, jako v předcházejících výpočtech. Pro toto porovnání nebylo možno provést výpočet pro areál Sr=11,6 ha, protože není k dispozici dostatečně dlouhá řada dešťů.
Tabulka 4 - Porovnání retenčního objemu dle návrhového deště s výpočty dle ČSN 75 6261 pro modelové řady dešťů pro odtok 10 l/s.
| n | Sr = 1 ha | Sr = 3 ha |
|---|---|---|
| 0,5 | 152 m3 | 475 m3 |
| 1 | 123 m3 | 489 m3 |
| 0,5 | 167 m3 | 634 m3 |
| 0,2 | 243 m3 | 952 m3 |
Potřebné retenční objemy v tabulce potvrzují předpoklad, že uvedený požadovaný přístup návrhu retenčních prostor velmi výrazně zvýhodňuje velké areály na úkor malých, ale umožňuje návrh retenčního prostoru dle uvedené ČSN 75 6261 pro jakýkoliv poměr velikosti areálu k velikosti odtoku.
Z uvedených výpočtů se zdá, že požadovaný návrh na jeden vybraný déšť a povolenou velikost odtoku je jednoznačně špatný. To by platilo ale jen tehdy, kdy povolená velikost odtoku byla naprosto "správně" určena. V případě, že níže po toku máme přesně daný limitní profil, lze povolenou "správnou" hodnotu spočítat či vybilancovat. Pokud ale dochází k vypouštění do malých vodotečí, kde se hodnoty průtoku velkých vod pohybují v jednotkách až desítkách m3/s a požadované hodnoty odtoku v desítkách l/s (tj. pod hodnotou 1 %) nelze vliv takového zvýšení odtoků příliš vyhodnotit, protože je hluboko pod přesností výpočtových metod a zvýšení hladiny ovlivňuje prakticky jen modelově.
V takových případech by měla být velikost odtoku stanovena spíše tak, aby korespondovala s přirozenými či přírodními podmínkami. Z toho pohledu je zajímavá následující tabulka.
Pro názornost je v následující tabulce vypočten stávající odtok z uvedených území pro dvě varianty koeficientu odtoku z nezastavěného území.
Tabulka 5 - Velikost odtoku z nezastavěného území (pro dvě varianty koeficientu odtoku)
| Odtok (l/s) pro t=15 min a i=180 l/s ha | ||
|---|---|---|
| ψ | ψ | |
| Sr (ha) | 0,05 | 0,1 |
| 1 | 9 | 18 |
| 3 | 27 | 54 |
| 11,6 | 104,4 | 208,8 |
Z uvedené tabulky je překvapujícně zřejmé, že při návrhu velikosti retenčního prostoru na odtok 10 l/s při uvedených návrhových parametrech deště korespondují skutečné průměrné maximální odtoky cca s přirozeným odtokem z luk a polí pro 2-letou periodicitu dešťů (při Sr=1 ha je přirozený odtok v rozmezí 9÷18 l/s a průměrný odtok pro 2-letou periodicitu vychází 16 l/s. Z toho by bylo možné usoudit, že použití požadovaného (z pohledu ČSN 75 6261 nevhodného) způsobu návrhu retenčních prostor na návrhový déšť doby trvání 15 min. s intenzitou 180 l/s ha a pro max. odtok 10 l/s není jednoznačně špatný, protože v podstatě koresponduje s přirozeným odtokem z nezastavěného území. Velkou výhodou tohoto přístupu je pak velmi jednoduchý výpočet, který lze použít i při velkém povodí a požadovaném malém odtoku.
Zde je nutno ale upozornit na to, že provedená porovnání byla provedena pro jeden skutečný a dva modelové parametry areálů, aby bylo možno tento princip plošně používat, bylo by vhodné provést jeho podrobné prověření včetně stanovení obecných parametrů pro území celé republiky.
Vliv zpomalení odtoku z areálů
Při navrhování odvodňovacích systémů se mnohdy opomíjí význam zpomalení odtoku z areálů. Přitom při využití moderních technologií a technických opatření lze velké retenční objekty se škrtícími zařízeními zcela či z velké části nahradit vhodnějšími decentralizovanými opatřeními (mnohdy i s nižšími jak investičními tak provozními náklady).
Tento vliv je dokumentován i v ČSN 75 6261, kde je v kap. B.1.1.1 uveden výpočet potřebného retenčního objemu pro tři doby dotoku, které lze ve výpočtech uvažovat. Pro návrhové parametry Sr=24 ha, odtok z dešťové nádrže Qo=300 l/s, a dobu dotoku stokovou sítí td=18 min je uveden základní potřebný objem retence Vmax = 2 564 m3. Při použití redukce intenzit dešťů podle Bartoška (tp=3,33 min - doba povrchového odtoku) vyjde potřebný objem retence Vmax = 2 045 m3 a při využití i doby povrchové retence vyšel potřebný objem retence Vmax= 1 906 m3. Zde je vidět, že jen při započítáním povrchového odtoku dle Bartoška dojde ke snížení potřebné velikosti retenčního objemu o 20 % a při dalšímu započítání ještě doby povrchové retence o 26 %. Přičemž prodloužení dob dotoku je v uvažovaných případech jen v řádu jednotek minut.
Zajímalo mne proto, jak se projeví prodloužení doby dotoku (na potřebné velikosti retenčního prostoru) řádově o desítky či stovky minut.
V následujících grafech je uveden modelový výpočet vlivu doby odtoku z areálu na potřebnou velikost retenčního prostoru. Výpočty byly opět provedeny dle ČSN 75 6261 s použitím návrhových parametrů uvedených v předcházející kapitole -tj.pro max. odtok Qo = 10 l/s. Jako nejmenší doba dotoku je v grafech uvažováno s dobou odpovídající kanalizaci tj. dle předchozích výpočtů pro areál velikosti Sr=1 ha je tdmin=2,36 min a pro areál velikosti Sr=3 ha je tdmin= 4,08 min
Pro toto porovnání nebylo možno provést výpočet pro areál Sr=11,6 ha, protože není k dispozici dostatečně dlouhá řada dešťů.
Graf 1 - Závislost velikosti retenčního prostoru a doby dotoku vody areálem o Sr=1 ha
Graf 2 - Závislost velikosti retenčního prostoru a doby dotoku vody areálem o Sr=3 ha
Z uvedených grafů je zřejmé, jaký je u modelových příkladů významný vliv zpomalení odtoku z areálu na potřebnou velikost retenčních prostor. K problému při výpočtu opět dojde, pokud požadovaný maximální odtok je v poměru k celkové ploše areálu příliš malý, protože nemáme dispozici dostatečně dlouhé řady dešťů (u periodicity n=0,5 a areálu Sr=3ha je proto křivka kratší).
Zpomalení doby dotoku je ve svém důsledku často jediný způsob, který zvýhodňuje areály používající prvky HDP. S výhodou lze tohoto efektu dosáhnout použitím odvodňovacích zařízení, které způsobují zpomalení odtoku z povodí - příkopy, mělce vedené podpovrchové odvodnění s drenážním potrubím se štěrkovým obsypem působícím zároveň jako akumulace, do kterého voda z povrchu prosakuje přes mělké příkopy, průsaky přes akumulační nádrže na dešťovou vodu u jednotlivých objektů, atd.
Účinnost takovýchto odvodňovacích systémů byla potvrzena měřeními na obytném areálu v Praze Čakovicích. Výstavba areálu probíhala v letech 2006÷2008 s postupným zprovozňováním jak areálu, tak i odvodňovacího systému.
Popis obytného areálu a koncepce odvodnění
Obytný areál byl vybudován do nezastavěného poměrně rovinatého území. Povrch území má sklon severovýchodním až ve východní části jihovýchodním směrem, tzn., až na východní stranu území byl sklon směrem od potoka. Celkem bylo v areálu postaveno 9 obytných objektů pro cca 1830 obyvatel. Výškové poměry území prakticky vylučovaly možnost použití klasické dešťové popř. jednotné kanalizace, protože by bylo nutno dešťové vody jak do potoka či jednotné kanalizace přečerpávat. Pod svrchní vrstvou navážek se vyskytují spraše s příliš malými koeficienty filtrace, a proto byla možnost využití vsakování pro kompletní řešení problematiky dešťových vod vyloučena.
Obr.1 Zákres areálu s odvodňovacími zařízeními do ortomapy
Odvádění dešťových vod z areálu bylo proto navrženo pomocí povrchových či mělce podpovrchových zařízení. Dešťová voda z vozovek a parkovišť je odváděna po povrchu do odvodňovacích zařízení v zeleni. Do těchto zařízení je zaústěna i převážná část přípojek od dešťových svodů z objektů. Dále je voda vedena soustavou příkopů a mělce umístěných podpovrchových odvodňovacích zařízení (drenážní potrubí s obsypem z hrubého kameniva, do něhož vody prosakuje z mělkého příkopu přes vsakovací vrstvu) do dvou po obvodě areálu vedených sběrných příkopů, na jižním příkopu je vybudováno jedno okrasné jezírko. Před vypouštěním do vodoteče je vytvořen retenční prostor se škrtícím zařízením a za ním havarijní nádrž.
Obr.2 Druhy povrchů v povodí areálu - zdroj Diplomová práce
Celková odvodňovaná plocha měřeného povodí je 7,894 ha.
Vliv navrženého odvodnění v obytném areálu, byl po zprovoznění prověřen v rámci diplomové práce zpracované na ČVÚT Petrem Beníškem. Zde uvádím jen stručné shrnutí výsledků provedených měření a hodnocení souvisejících s vlivem prodloužení doby dotoku areálem.
Realizovaný monitoring -
Monitoring byl kontinuální a probíhal od konce března 2008 do _října 2008 s výjimkou průtokoměru, který ukončil činnost 8.9.2008.
Dešťoměr byl umístěn na střeše vytypovaného objektu, hladinoměr v odtokovém objektu z retenčního prostoru a průtokoměr na odtokovém potrubí do recipientu.
Posouzení areálu bylo provedeno simulačním modelem SWMM 5.0. Za měřené období byly vybrány 4 velké srážkové události, které byly použit při simulaci modelu.
Vyhodnocení vodního režimu areálu -
Jedním z výstupů Diplomové práce bylo posouzení vodní bilance zájmového území. Pro zjištění bilančních prvků zájmového území v dlouhodobějším měřítku, byla použita historická řada dešťů z meteorologické stanice Praha Karlov a dále 10-ti letá srážková řada vytvořená v rámci Generelu odvodněn hl.m.Prahy. Posouzení bylo provedeno pro období 1.4.÷31.10. stejného roku.
Obr.3 Vodní bilance areálu - zdroj Diplomová práce
Vypočtený odtok z odvodňovacího systému se v simulacích pohyboval v rozmezí 19 % ÷ 24 % z celkového množství srážek v povodí, což se blíží vodní bilanci kulturní krajiny s poli a loukami, kde dochází ke zhutnění půdy a povrch je tvořen monokulturami.
Obr.4 Vodní bilance typů území - zdroj Bavorský zemský úřad - Přírodě blízké odvodnění dopravních ploch v sídlech
Z provedených vyhodnocení lze vyvodit závěr, že odtok z obytného areálu Čakovice s obytnými objekty, komunikacemi, chodníky a zelenými plochami, vlivem vybudovaného odvodňovacího systému zůstal v podstatě stejný, jako když povrch byl před výstavbou tvořen polem, přičemž retenční prostor je mnohem méně vytížen, než by byl při realizaci dešťových kanalizací. Jedná se o první výsledky provedeného monitoringu, které je ještě nutno podrobně zpracovat a to včetně např. porovnání vlivu celého odvodňovacího systému a vlastního retenčního prostoru.
Literatura
1. Posouzení funkce povrchového odvodnění obytného areálu Zámecká zahrada - Diplomová práce - Petr Beníšek - leden 2009
2. Provozní řád na vodní dílo odvodňovací systém obytného souboru U Zámeckého parku - Ing. Richard Kuk - 08/2007
3. Přírodě blízké odvodnění dopravních ploch v sídlech - Odvodnění v Bavorsku nepodléhající povolení - Bavorský zemský úřad pro životní prostředí
4. ČSN 75 6261 Dešťové nádrže
Recenzní posudek
Název článku: Úskalí navrhování systémů hospodaření s dešťovými vodami
Autor článku: Richard Kuk
V článku je diskutována velmi aktuální problematika nejednotnosti požadavků a přístupů k návrhu retenčních prostor v areálech s odvodňovacími systémy respektujícími principy přírodě blízkého hospodaření s dešťovými vodami (HDV). Na příkladu tří modelových areálů jsou názorně ukázány rozpory mezi různými způsoby návrhu retenčních prostor a demonstrován vliv zpomalení odtoku z areálů pomocí prvků HDV na velikost nutného retenčního objemu. V závěru je vyhodnocen vodní režim obytného areálu s odvodněním s prvky HDV v Praze-Čakovicích.
Článek je na vysoké odborné úrovni, a proto ho doporučuji k publikování.
Recenzní posudek zpracovala Dr. Ing. Ivana Kabelková dne 22.2.2010
In recent years, we can see with pleasure the developing efforts of government and investors on the use of the rainwater management. Srom the large diversity of the applicable requirements, it is now clear that there is a lack of consistent approach to this problem. Often the entire effort to use the rainwater management will result only to design large retention areas, often situated under the ground. The lack of requirements is in the method of establishing the size of the retention area too. The article compare calculation between the size of the retention area according to one real requirement for a proposed residential area with the calculation according to standards (ČSN 75 6261). The second part deals with the impact of the slowdown on the required size of drain retention area. This effect is demonstrated on the first outcome evaluation of residential area drainage using rainwater management.