Analýza návrhu vsakovacích boxů pro srážkové vody z povrchového odtoku
Za využitelný objem vsakovací sestavy se při návrhu uvažuje 95 % objemu celé vsakovací sestavy, která byla navržena. Výpočtem můžeme zjistit také akumulační objem vsakovací sestavy. Stoupání hladiny vyplývá z přírůstku objemu daném rozdílem mezi protékající a odtékající vodou.
Úvod
Aktuálnym problémom vodohospodárskej praxe sa v poslednom období javí potreba odvedenia zrážkových vôd z povrchového odtoku. Neustále sa rozširujúce uzatváranie prirodzeného terénu a to najmä z hľadiska veľkého a neutíchajúceho rozvoja výstavby obytných, priemyselných, komerčných, zábavných a dopravných zón vedie taktiež k zvyšovaniu počtu spevnených plôch, ktoré majú za následok zabraňovanie prirodzeného vsakovania dažďových vôd späť do okolitej zeminy. Z tohto dôvodu takmer 80 % spadnutej dažďovej vody steká do kanalizácie a vodných tokov a len 20 % sa vsakuje späť do okolitej zeminy. V dôsledku toho dochádza k veľmi vážnemu narušeniu prirodzeného kolobehu vody v prírode – prispieva k znižovaniu hladiny podzemných vôd, lokálnej pôdnej dehydratácie a ohrozeniu stability citlivých ekosystémov.
Taktiež odvedenie nadbytočného množstva zrážkovej vody z veľkých plôch striech obytných, obchodných, či priemyselných budov je i problémom technickým. Návaly dažďa, prudké búrky a lejaky zahlcujú dažďovou vodou kanalizačné siete a preto často ani nie je technicky možné nadbytočnú vodu odviesť z veľkých plôch do týchto sietí. Zvyšovanie špičkových odtokov do kanálov, taktiež prispieva k znižovaniu hladiny podzemných vôd a ohrozeniu stability citlivých ekosystémov. Kanalizačné systémy, čistiarne odpadových vôd a recipienty vodných tokov sú preťažené čím sa zvyšuje riziko povodní. Z tohto dôvodu sa už v územnom konaní môže prevádzkovateľ kanalizácií t.j. príslušný vodárenský podnik vyjadriť nedovolením vypúšťania zrážkových vôd do kanalizácie, z čoho vyplýva nutnosť vodu vsakovať na pozemku, alebo ju zachytávať a následne využívať.
Z tohto dôvodu je vhodné navrhovať vsakovacie systémy, ktoré nielen riešia problém technický tým, že čiastočne odbremenia kanalizačné siete, ale aj prispievajú k ekologickej stabilite ekosystémov a taktiež k znižovaniu financií za vypúšťanie zrážkovej vody z povrchového odtoku do kanalizácie.
Postup dimenzovania vsakovacieho systému zo vsakovacích blokov
Obr. 1 Schéma systému vsakovania [2]
Pri dimenzovaní vsakovacieho systému treba stanoviť:
- druh vsakovacieho systému
- intenzitu dažďa rd a dostatočne dlhý záznam zrážok z minulosti
- redukovanú plochu strechy An a koeficient odtoku Ψ (C)
- dĺžku vsakovacej zostavy L
- koeficient vsakovania kf
- využiteľný objem vsakovacej zostavy V
- vsakovaciu plochu As
1. Druh vsakovacieho systému
Prvým krokom pri dimenzovaní vsakovacieho systému je určenie druhu vsakovacieho systému, ktorý bude použitý. Vychádza sa najmä z miestnych podmienok, v ktorých má byť daný vsakovací systém použitý. Ako podklad pre voľbu vhodného druhu vsakovacieho zariadenia by mal byť najmä hydrogeologický prieskum v danej lokalite.
2. Intenzita dažďa a dostatočne dlhý záznam zrážok z minulosti
Meteorologické stanice dlhodobo merajú zrážky a výsledky pozorovania vydávajú vo forme tabuliek a to pre rôzne pravdepodobnostné intenzity dažďa, 1× za rok, 1× za 5 rokov, 1× za 10 rokov.Tabuľku pre danú lokalitu treba mať k dispozícii, ak v danom mieste nie je meteorologická stanica, tabuľky musia byť zo staníc čo najbližšie vzdialených od danej lokality. Typ tabuľky sa volí podľa rizika, podľa výšky prípadných škôd spôsobených zaplavením okolia. Pre rodinné domy zväčša postačuje tabuľka pre pravdepodobnosť intenzity dažďa 1× za rok, pre elektrické transformátorové stanice, kde by mohlo dôjsť k výpadku prúdu pre celú oblasť, 1× za 10 rokov [3]. Príklad nameraných hodnôt intenzity dažďa rd v l/s.ha je uvedený v tab. 1.
| D | rd (5) | rd (2) | rd (1) | rd (0,5) | rd (0,2) | rd (0,1) | rd (0,05) | rd (0,03) | rd (0,02) | rd (0,01) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 | 128 | 178 | 224 | 274 | 345 | 391 | 434 | 454 | 464 | 478 |
| 10 | 80 | 118 | 151 | 184 | 233 | 267 | 298 | 316 | 328 | 339 |
| 15 | 61 | 92 | 117 | 142 | 180 | 209 | 233 | 250 | 258 | 269 |
| 20 | 50 | 76 | 96 | 117 | 147 | 172 | 192 | 205 | 212 | 222 |
| 30 | 38 | 57 | 72 | 88 | 110 | 128 | 145 | 155 | 160 | 170 |
| 40 | 30 | 46 | 58 | 71 | 88 | 103 | 116 | 126 | 131 | 140 |
| 50 | 26 | 39 | 49 | 60 | 74 | 86 | 96 | 104 | 110 | 118 |
| 60 | 22 | 34 | 42 | 52 | 64 | 74 | 82 | 90 | 95 | 100 |
| 90 | 16 | 24 | 30 | 38 | 46 | 52 | 57 | 64 | 67 | 72 |
| 120 | 13 | 19 | 24 | 28 | 36 | 41 | 45 | 50 | 53 | 56 |
| 180 | 10 | 14 | 17 | 20 | 25 | 28 | 31 | 34 | 37 | 39 |
3. Redukovaná plocha strechy
Materiál striech môže byť z rôzneho materiálu, ktorý má rôzny vplyv na odtok vody zo strechy. Zatiaľ čo zatrávnené strechy značnú časť zrážok absorbujú, iné strechy pokryté napríklad glazovanými škridlami odvedú zrážkovú vodu takmer na 100 %. Množstvo vody odvedené zo strechy a spevnených plôch udáva súčiniteľ odtoku C.
| Položka | Spôsob zastavenia a druh pozemku, prípadne druh úpravy povrchu | Súčiniteľ odtoku Ψ podľa spádu odvodňovanej plochy [%] | ||
|---|---|---|---|---|
| do 1 | 1 až 5 | nad 5 | ||
| 1. | Strechy | 1,00 | 1,00 | 1,00 |
| 2. | Asfaltové a betónové plochy, dlažby so zálievkou škár | 0,70 | 0,80 | 0,90 |
| 3. | Dlažby s pieskovými škárami | 0,50 | 0,60 | 0,70 |
| 4. | Upravené štrkové plochy | 0,30 | 0,40 | 0,50 |
| 5. | Neupravené a nezatrávnene plochy | 0,20 | 0,25 | 0,30 |
| 6. | Sady, ihriská | 0,10 | 0,15 | 0,20 |
| 7. | Zelené pásy | 0,05 | 0,10 | 0,15 |
| Druh odkanalizovanej plochy | Súčiniteľ odtoku C [-] |
|---|---|
| Strechy, balkóny, terasy a) | 1,0 |
| Strechy s priepustnou hornou vrstvou hrubšou než 100 mm | 0,5 |
| a) Pre strechy s plochou nad 10 000 m2 možno uvažovať s hodnotou súčiniteľa odtoku C = 0,8. | |
Plocha Ae,i je daná súčtom jednotlivých spevnených plôch a striech Ai. Odvádzané množstvo vody je teda nižšie ako teoretické. To sa zohľadňuje redukovaním – zmenšením spevnených plôch a plochy strechy.
kde
- Ai
- – suma všetkých čiastkových strešných a spevnených plôch rovnakého typu [m2]
- Ci
- – koeficient odtoku [-]
Na strechy s redukovanou plochou Ae,i dopadajú zrážky o intenzite id(n) udávanú v (l/sec.ha).
Celková redukovaná plocha striech a spevnených plôch je Au.
kde
- Ae,i
- – spevnené plochy a strechy s redukovanou plochou [m2]
- Ci
- – koeficient odtoku [-]
4. Dĺžka vsakovacej zostavy
Najdôležitejšou časťou návrhu vsakovacieho systému je určenie rozmeru dočasného akumulačného priestoru. Prvé dva rozmery (šírka a výška) osadenej zostavy vyplývajú z obmedzujúcich miestnych podmienok ako je napr. urbanistické riešenie zástavby alebo miestne hydrologické pomery [2].
Posledný tretí hlavný rozmer – dĺžka sa určí pomocou vzorca:
[m]
kde
- L
- – neznáma dĺžka vsakovacej zostavy [m]
- An
- – redukovaný povrch spevnených plôch [m2]
- rd
- – intenzita záťažového dažďa [l/s.ha]
- D
- – čas trvania záťažového dažďa [min]
- b
- – šírka vsakovacej zostavy [m]
- h
- – výška vsakovacej zostavy [m]
- sr
- – retenčný (akumulačný) koeficient, 0,95
- kf
- – súčiniteľ priepustnosti pôdy [m/s]
5. Koeficient vsakovania
Pri návrhu vsakovacieho systému je veľmi dôležitá úzka spolupráca projektanta s hydrológom. Niekedy môže byť vsakovanie nemožné, nevhodné, alebo nákladnejšie a pritom menej spoľahlivé ako klasická dažďová kanalizácia. Až z vlastného geologického prieskumu uvažovanej oblasti vyplynie vhodnosť či nevhodnosť okolia zeminy pre vsakovanie zrážkovej vody.
Faktory, ktoré obmedzujú použitie vsakovacích systémov:
- veľmi nízka alebo naopak veľmi vysoká priepustnosť zeminy,
- nedostatočná vzdialenosť vsakovacej plochy od hladiny podzemnej vody,
- silne znečistenie zrážkovej vody (látkami zo vzduchu, spevnených plôch)
- z dôvodu možnej kontaminácie podzemných vôd je vsakovanie zrážkových vôd vylúčené v ochranných zónach I. a II. hygienického stupňa
- výskyt zemín, ktoré sa po nasiaknutí vodou stávajú nestabilnými
Stredno až drobnozrný štrk
Pieskový štrk
Hrubozrný piesok
Strednozrný piesok
Jemnozrný piesok
Prachový piesok, pieskový prach
Prach
Ílovitý prach
Prachový íl, íl
Súčiniteľ priepustnosti pôdy kf vyjadruje rýchlosť (jeho jednotkou je m/s), ktorou preteká zrážková voda určitým typom prostredia t.j. zeminy. V závislosti na druhu zeminy môže nadobúdať veľmi rozdielnych (diametrálne sa líšiacich) hodnôt v rozsahu radov od 10−1 do 10−10 m/s. Pritom o zasakovaní môžeme hovoriť, pokiaľ sa hodnota vsakovacej rýchlostí okolitej zeminy pohybuje v intervale od 10−3 do 10−6 m/s. V prípade, že kf je väčší ako 10−3, dochádza k veľmi rýchlemu priesaku dažďových vôd do vôd spodných. To má za následok jednak narušenie dočasnej skladovacej funkcie systému a jednak to, že nedôjde k požadovanému pôdnemu dočisteniu dažďovej vody pred jej vstupom do vody podzemnej. Pokiaľ je naopak kf menší ako 10−6, je nutné navrhnúť kapacitne veľmi veľký akumulačný priestor, čo už môže byť z ekonomického hľadiska nevýhodné. V týchto prípadoch sa už nedá hovoriť o vsakovaní, ale o riadenej retencii [2]. Doporučené hodnoty koeficientu vsakovania kf sú na obr. 2.
6. Využiteľný objem vsakovacej zostavy
Za využiteľný objem vsakovacej zostavy sa pri návrhu uvažuje 95 % objemu celej vsakovacej zostavy, ktorá bola navrhnutá. Výpočtom môžme zistiť taktiež akumulačný objem vsakovacej zostavy. Stúpanie hladiny vyplýva z prírastku objemu danom rozdielom medzi pritekajúcou a odtekajúcou vodou: Qzu − Qs
Výška dosiahnutej hladiny v akumulačnom priestore závisí od dĺžky trvania zrážok, jeho intenzity a kf. Na Slovensku je zaužívané objem akumulačného priestoru počítať na 15minútový 2ročný dážď.
Ale v mnohých prípadoch, zvlášť pri nízkych hodnotách kf a pri tzv. vytrvalých dažďoch, môže vyjsť potrebný akumulačný objem vyšší ako pre zaužívaný výpočet. Preto pri nízkych hodnotách kf treba prepočítať aj ostatné hodnoty intenzity dažďa a dĺžky dažďa.
Pre výpočet akumulačného priestoru platí vzorec:
kde
- D
- – je doba trvania dažďa v minútach. Jeho vynásobením číslom 60 získame doba trvania dažďa v sekundách,
- fz
- – je súčiniteľ bezpečnosti – projektant ho na základe svojho uváženia volí v rozmedzí 1,1 až 1,2. Hodnota 1,1 sa volí pre decentrálne vsakovanie, hodnota 1,2 sa volí pre centrálne vsakovanie[4].
7. Vsakovacia plocha
Obr. 3 Schéma určenia účinnej vsakovacej šírky[4]
Dôležitá skutočnosť nastáva pre stanovenie vsakovacej plochy As. Tá sa totiž neobmedzuje iba na plochu A čiže na samotnú podstavu blokov, ale sa rozširuje aj o šírku bočného vsakovania: V akumulačnom priestore voda vystupuje do výšky h. Stredná hodnota výšky hladiny je h/2. Keďže časť vsakovania sa uskutočňuje cez bočné steny blokov, a to po oboch stranách účinnej vsakovacej šírky bR,w, rozširuje sa táto na obe strany o hodnotu h/4 [4].
Potom účinná vsakovacia šírka je daná vzťahom:
kde
- bR
- – vsakovacia šírka [m]
- h
- – vsakovacia výška [m]
Vsakovacia plocha As je daná vzťahom:
kde
- L
- – vsakovacia dĺžka [m]
- bR,w
- – účinná vsakovacia šírka [m].
Faktory výrazne ovplyvňujúce návrh a výslednú dĺžku L vsakovacej zostavy tvorenú vsakovacími blokmi
Koeficient vsakovania kf
| kf | L [m] | t [hod] |
|---|---|---|
| 10−3 | 4,0 | 0 h 12,1 min |
| 10−4 | 8,5 | 1 h 51,5 min |
| 10−5 | 12,7 | 19 h 32 min |
| 10−6 | 14,1 | 7 dní 21 h |
| 10−7 | 14,3 | 79 dní 21 h |
| 10−8 | 14,3 | 799 dní 21 h |
Ako vyplýva z modelového prípadu výpočtu vsakovacej zostavy pre objekt so strechou o ploche 1000 m2 a pri rovnakej periodicite dažďa rd, najdôležitejším údajom pre návrh vsakovacieho zariadenia je koeficient vsakovania kf. Ako vyplýva z tabuľky č. 3, pri pôdach s koeficientom priepustnosti kf = 10−3, je čas potrebný na vsiaknutie vody po ukončení dažďa t rádovo pohybujúci sa v minútach. Pri pôdach s koeficientom priepustnosti kf = 10−4 a 10−5 je čas potrebný na vsiaknutie vody po ukončení dažďa t rádovo pohybujúci sa v hodinách. Pri pôdach s koeficientom priepustnosti kf = 10−6 a 10−7 je čas potrebný na vsiaknutie vody po ukončení dažďa t rádovo pohybujúci sa už v dňoch! Pri pôdach s koeficientom priepustnosti kf = 10−8, je čas potrebný na vsiaknutie vody po ukončení dažďa t rádovo pohybujúci sa v rokoch!! [5] Najvhodnejšie hodnoty koeficientu vsakovania sú v intervale od 10−3 do 10−6. Ak kf je väčší ako 10−3, dochádza k veľmi rýchlemu priesaku dažďových vôd do vôd spodných, čo má za následok jednak narušenie dočasnej skladovacej funkcie systému a jednak to, že nedôjde k požadovanému pôdnemu dočisteniu dažďovej vody pred jej vstupom do vody podzemnej. Pokiaľ je naopak kf menší ako 10−6, je nutné navrhnúť kapacitne veľmi veľký akumulačný priestor, čo už môže byť z ekonomického hľadiska nevýhodné. V týchto prípadoch sa už nedá hovoriť o vsakovaní, ale o riadenej retencii.
Periodicita dažďa rd a jej prislúchajúce hodnoty intenzity dažďa v l/s.ha
Pri návrhu vsakovacieho systému sa zvyčajne uvažuje s periodicitou výskytu zrážok rd (0,5) t.j. raz za 2 roky. Táto periodicita výskytu dažďa sa určuje podľa typu prevádzky a požadovaného stupňa bezpečnosti vsakovacieho systému t.j. dĺžku L. Ako vyplýva z modelového prípadu výpočtu vsakovacej zostavy pre objekt so strechou o ploche 1000 m2 a pri rovnakom koeficiente vsakovania kf, dĺžka vsakovacej zostavy L sa mení. Výpočet pre periodicity rd (0,5), rd (0,2), rd (1,0), ukazuje meniacu sa výslednú dĺžku v závislosti od zvolenej periodicity dažďa:
Tab. 5 Vplyv periodicity dažďa rd na dĺžku vsakovacej zostavy L [5]
Výška vsakovacej zostavy h resp. počet vrstiev systému
Ako vyplýva z modelového prípadu výpočtu vsakovacej zostavy pre objekt so strechou o ploche 1000 m2 a pri rovnakej periodicite dažďa rd a koeficiente vsakovania kf, výška vsakovacieho systému je taktiež významným faktorom ovplyvňujúcim dĺžku vsakovacej zostavy. Výpočet je realizovaný pre jednu, dve a tri vrstvy vsakovacích blokov.
Tab. 6 Vplyv výšky vsakovacej zostavy H na dĺžku vsakovacej zostavy L [5]
Záver
Článok je príspevkom k problematike vsakovacích systémov a tiež postupu dimenzovania vsakovacieho systému skladajúceho sa zo vsakovacích blokov. Rozoberá a zohľadňuje, čo je pri návrhu vsakovacieho systému potrebné brať do úvahy pre optimálny návrh vsakovacieho systému a taktiež aké vzťahy pri výpočte použiť.
Vznikol za podpory projektu VEGA 1/0450/12 Výskum energetickej bilancie hospodárenia s dažďovou vodou v budovách miest budúcnosti.
Literatúra
- [1] DWA – A 138 Planung, Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser.
- [2] STN EN 73 6760 Vnútorná kanalizácia.
- [3] Technické podklady firmy Wavin, WAVIN AZURA – WAVIN Q-BIC, Katalóg 2006.
- [4] http://www.elwa.sk/index.php/Vsakovanie/Teoria-vsakovania.html.
- [5] MARKOVIČ, G. Vsakovacie systémy dažďovej vody. Diplomová práca. Bratislava: STU. 2008, zz s.
As a usable volume of infiltration in the design of the kit it is considered 95% of the entire volume of the designed infiltration system. The calculation can also detect infiltration storage volume. Level rise results from the increase in the volume due to difference between the flowing in and draining water.