bioretention
Rational and optimal distribution of green infrastructure in urban areas
Wstęp
Tak zwana „Najlepsza praktyka gospodarowania wodami opadowymi (BMP – od Best Management Practice) polega na jak najdłuższym zatrzymaniu ich w miejscu, na które spadły i podczyszczeniu oraz co najmniej częściowym wykorzystaniu na cele użytkowe. Ten kierunek postępowania jest zalecany od kilkudziesięciu lat. Powstały w sumie dziesiątki tysięcy raportów badawczych oraz publikacji i setki książek na ten temat. Potężnym źródłem informacji w tym zakresie jest baza publikacji, raportów, oraz oprogramowania ogólnie dostępne na stronie Agencji Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych Ameryki Północnej (www.epa.gov). Możliwe jest zastosowanie retencji szarej, albo zielonej. Przez tę pierwszą rozumie się konstrukcje inżynierskie takie, jak: zbiorniki retencyjne, przepuszczalne chodniki i powierzchnie jezdne, a przez drugie zastosowanie różnego rodzaju bioretencji. Dysponujemy szczegółowymi krajowymi opracowaniami dotyczącymi jednego i drugiego sposobu retencjonowania. Pod względem konstrukcji inżynierskich różne rozwiązania zazwyczaj żelbetowych zbiorników retencyjnych jedno i wielokomorowych, zostały opatentowane a następnie opisane w literaturze przez ośrodki akademickie w Rzeszowie i Częstochowie, a wcześniej w Krakowie [10], [16], [19], [20], [24], [26], [27]. Stan wiedzy w zakresie zastosowania bioretencji był intensywnie badany w zakresie oczyszczalni hydrofitowych w Politechnice Gdańskiej [21],[22],[29], a w zakresie dachów zielonych w Politechnice Wrocławskiej i w Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu [4].
Tak więc mamy rozpoznane same metody gospodarowania wodami deszczowymi, ale w praktyce ich stosowanie jest jeszcze dalekie od powszechności i niemal zawsze chaotyczne, co prowadzi do dużego marnotrawstwa środków finansowych. Ponieważ zastosowanie retencji szarej i zielonej w skali miasta wiąże się z dużymi kosztami, ale również przynosi korzyści i to wielorakie, a nie tylko w zakresie zmniejszenia spływów chwilowych w czasie deszczu i podniesienia zasobów wód podziemnych i gruntowych, właściwe zastosowanie sposobów retencjonowania wody wymaga w dużej skali aplikacji modeli optymalizacyjnych, bez których wydatkowanie pieniędzy jest mało efektywne.
System SUSTAIN
Biorąc pod uwagę konieczność racjonalizacji w wydatkowaniu środków pieniężnych oraz usystematyzowania chaotycznych działań, Agencja Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych US EPA w 2003 roku rozpoczęła opracowanie kompleksowej procedury wyboru rodzaju infrastruktury zielonej (GI od Green Infrastructure) oraz jej umiejscowienia na terenach zurbanizowanych [23]. Opracowała ona system wspierający podejmowanie decyzji co do rozmieszczenia różnych rodzajów zabudowy zielonej w terenach zurbanizowanych. Opracowany system opatrzono skrótem SUSTAIN, który sam w sobie sugeruje już główny cel jego utworzenia i pochodzi od pełnej nazwy anglojęzycznej „System for Urban Stormwater Treatment and Analysis”. Tak więc z wielu korzyści, które infrastruktura zielona przynosi w terenach miejskich autorzy systemu SUSTAIN uznali zagospodarowanie wód deszczowych za podstawową funkcję do spełnienia. Wynika to z istotnego wpływu przelewów burzowych w kanalizacji ogólnospławnej na stan wód powierzchniowych [5], tak w zakresie wskaźników fizyczno – chemicznych [2], [3], [9], jak i bakteriologicznych [1]. System ten ma na celu powiązanie modelowych narzędzi numerycznych do opisu w czasie rzeczywistym spływów powierzchniowych z terenu zlewni i nieustalonych przepływów przez kanały z oprogramowaniem optymalizacyjnym, służących do wskazania sposobów uzyskania założonych efektów środowiskowych jak najmniejszym kosztem. Między innymi przetestowano kompleksowo algorytmy numeryczne SWMM oraz HSPF. Ponieważ dostępne oprogramowanie do symulowania numerycznego: spływów powierzchniowych, infiltracji, parowania, retencji powierzchniowej, bioretencji, przepływów nieustalonych w kanałach i transportu nimi ścieków jest liczne, więc system SUSTAIN pozwala na importowanie danych i wyników obliczeń uzyskanych w wielu numerycznych programach działających niezależnie oraz na eksportowanie do nich wyników obliczeń i zgromadzonych w systemie SUSTAIN danych. Narzędzia do tych procedur w postaci numerycznego oprogramowania zostały umieszczone pod adresem internetowym www.epa.gov/ednnrmrl/ models/sustain. Optymalizacja dotyczy zazwyczaj kosztów poniesionych przy budowie infrastruktury zielonej. W takim przypadku poszukuje się najmniejszej wartości funkcji celu, którą jest koszt budowy i utrzymania tej infrastruktury. Jak w każdym zadaniu jednokryterialnym poszukiwania te zawężone są do rozwiązań spełniających zbiór warunków ograniczających, do których należą wartości wymagane co do spełnienia narzuconych kryteriów środowiskowych oraz wszystkie równania, na podstawie których prowadzi się modelowanie matematyczne przepływów nieustalonych po powierzchni zlewni oraz w kanałach, jak również prognozuje efekty technologiczne w zakresie podczyszczania wód opadowych. Tak postawione zadanie odpowiada na pytanie, jakie rodzaje infrastruktury zielonej należy przyjąć i jak ją rozmieścić aby uzyskać jak najniższym kosztem zadane efekty ekologiczne (przykładowo zadaną górną wartość ładunku ChZT zrzucanego rocznie przez przelewy burzowe). Możliwe jest zastosowanie wielokrotne optymalizacji jednokryterialnej w taki sposób, aby funkcja celu za każdym razem dotyczyła wybranego efektu środowiskowego, a koszty zostały przeniesione do zbioru warunków ograniczających. Zadania tego typu odpowiadają na pytanie rodzaju „Na ile w ramach tych samych nakładów finansowych można uzyskać lepsze efekty środowiskowe pod wybranym względem, przy poniesieniu nie większych nakładów finansowych i nie gorszych efektach środowiskowych pod każdym innym względem. Ta technologia stosowana jest z powodzeniem w wielu pracach, na przykład przy rozpatrywaniu funkcji cyklu życia (LCA) produktów. Ostatnio podjęto również w literaturze problem formułowania i rozwiązywania oraz aplikacji zadań optymalizacji wielokryterialnej w odniesieniu do najkorzystniejszego rozmieszczenia infrastruktury zielonej na terenach zurbanizowanych [23]. Zastosowanie złożonych modeli transportu masy (wód/ścieków i ładunków zanieczyszczeń) przewodami kanalizacyjnymi wymaga wykonania co najmniej setek, a często tysięcy, symulacji numerycznych działania kanalizacji w różnych wariantach ułożenia infrastruktury zielonej w celu jej optymalnego rozmieszczenia. Wymaga to długotrwałych i żmudnych obliczeń, a przede wszystkim zgromadzenia znacznej bazy danych o opadach deszczu, topografii i ukształtowaniu terenu, sieci kanalizacyjnej i warunkach wodno – gruntowych oraz pogodowych, jak również o jakości ścieków. Dlatego podejmowane są prace nad modelami uproszczonymi, bazujące na optymalizacji liniowej [18], o których napiszemy w drugim artykule.
Możliwość aplikacji modeli
Zastosowanie algorytmu optymalizacyjnego pozwala na najbardziej efektywne rozlokowanie środków przeznaczonych na rozmieszczenie terenów zielonych dla różnorodnych celów, z których jednym z głównych jest bioretencja. W odniesieniu do nowo budowanych części miasta możliwe jest sformułowanie wymagań co do zagospodarowania wód deszczowych na terenie inwestycji i można zasugerować rozwiązanie wynikające z zastosowanego modelu optymalizacyjnego. Należy się wówczas spodziewać, że deweloper wybierze sugerowane rozwiązanie, jako najtańsze spośród wszystkich, które spełniać będą ustalone wymagania co do ograniczeń narzuconych na wielkość i jakość odprowadzanych wód deszczowych. Jeżeli nawet wybierze rozwiązanie inne to przy wydawaniu Wytycznych Technicznych Zabudowy (o ile nie ma planu zagospodarowania przestrzennego), a później zatwierdzaniu projektu i uzyskiwaniu pozwolenia na budowę powinien przedstawić rozwiązanie dające nie gorszy efekt technologiczny niż ten wynikający z rozwiązania zadania optymalizacyjnego. W takiej sytuacji wybranie przez inwestora innego rozwiązania nie zaburza wyników rozwiązania zadania optymalizacyjnego na pozostałym terenie. W odniesieniu do zabudowy istniejącej, możliwości wpływania na decyzje o wprowadzeniu inwestycji zwiększających udział terenów zielonych i bioretencji w prywatnym terenie zabudowanym są ograniczone. Uzasadnione jest stosowanie zachęty w postaci zmniejszania wysokości opłat za odprowadzanie wód deszczowych. Niemniej stare części miast są najmniej przygotowane na takie inwestycje, a budynki zamieszkałe są głównie przez osoby starsze, o mniejszych możliwościach finansowych oraz ograniczonej aktywności życiowej. Dlatego w praktycznych aplikacjach zadań optymalizacyjnych dotyczących optymalnego rozplanowania przestrzennego bioretencji w starych częściach miasta najpraktyczniej jest narzucić odpływy zbliżone do dotychczasowych i nie przeprowadzać tam optymalizacji wyboru metod bioretencji i jej ułożenia przestrzennego. Chyba, że dotyczy to terenów należących do jednostki osadniczej. Możliwości aplikacyjne dotyczą nie tylko nowych dzielnic miast, ale również terenów słabo zabudowanych [8].
Bioretencja a klimat
Konieczność stosowania bioretencji, a dla jej efektywnego rozplanowania modeli optymalizacyjnych, wynika między innymi ze zmian klimatycznych. W Wielkiej Brytanii przewiduje się, że do roku 2020 w wyniku urbanizacji ilość ścieków zrzucanych przez przelewy burzowe w tym kraju wzrośnie z 140.000 m3 /rok do 170.000 m3 /rok jeżeli nie zatrzymamy, chociaż częściowo, w miejscu opadu i nie wykorzystamy wód opadowych. Zgodnie z tymi przewidywaniami [7] spływy z około 20% powierzchni szczelnych należałoby zagospodarować na miejscu, aby przy obecnej zabudowie ilość zrzucanych ścieków z przelewów burzowych nie zmieniła się do roku 2080. Tymczasem wręcz przeciwnie, prognozuje się iż do tego czasu całkowita powierzchnia jezdni i chodników wzrośnie aż o 50%, a w dodatku powierzchnia dachów również się zwiększy o 20%. Duże spływy powierzchniowe z terenu jednostki osadniczej nie mają zazwyczaj istotnego wpływu na wielkość wezbrań w dużym cieku, który przez taką miejscowość przepływa. Wywołują natomiast stany powodziowe na krótkich ciekach, dla
Średnie miesięczne wysokości opadów w Polsce, Austrii, Niemczech i w byłej Czechosłowacji, zestawione na podstawie danych dostępnych w internecie
których obszar zurbanizowany stanowi znaczną część ich powierzchni zlewni. Dlatego coraz częściej przy rozbudowie powierzchni zajętej przez budownictwo jedno i wielorodzinne stawiany jest warunek, aby odpływy maksymalne z terenu zabudowanego nie przekraczały wartości obserwowanych przed rozbudową. Tak postawiony warunek można spełnić jedynie przez zastosowanie retencji, a bioretencja jest najbardziej odpowiednim sposobem na jej utworzenie. Konkurencją dla bioretencji są rozwiązania sieci kanalizacyjnych oparte na retencji szarej, a więc zbiorniki retencyjne, w tym zbiorniki kanałowe, które łatwiej jest wpasować w ciasną zabudowę niż zbiorniki prostokątne [19]. Jeżeli zbiorniki te są budowane w celu zmniejszenia zrzutów przez przelewy burzowe do odbiorników to najkorzystniejszym ich usytuowaniem jest umieszczenie ich tuż przed przelewami burzowymi. Wówczas pierwszy przelew skierowuje nadmiar ścieków z przepełnionego kanału do zbiornika retencyjnego, a dopiero drugi przelew z tego zbiornika do rzeki [6],[9],[25]. Takie ustawienie zbiornika zapobiega sytuacjom, w których w wyniku zmienności opadów w czasie i w przestrzeni dochodzi do zrzutów deszczowych w czasie gdy zbiorniki retencyjne są jedynie częściowo napełnione. Jednakże przekazanie zgromadzonych w tych zbiornikach wód deszczowych i roztopowych zmieszanych w systemie kanalizacji ogólnospławnej do oczyszczalni ścieków komunalnych ma konsekwencje w postaci znacznego obniżenia temperatury oczyszczanych ścieków w okresie zimowym oraz zmniejszenia zawartości w nich węgla organicznego. W Niemczech przyjęto, że 80% ładunku ChZT wprowadzanych do kanalizacji ogólnospławnej z powierzchni ulic i chodników powinno być retencjonowanych i oczyszczanych [9]. Gdyby przyjąć, że te ścieki retencjonowane będą w całości w infrastrukturze szarej, a więc w żelbetowych zbiornikach retencyjnych, to należałoby przetrzymać 60% objętości spływów i następnie przesłać je do oczyszczalni ścieków z uwagi na mniejsze ładunki ChZT w wodach deszczowych odpływających pod koniec opadów. Ocenia się, że wymaga to zwiększenia przepustowości oczyszczalni ścieków o około 20% w skali rocznej [9]. Już na początku tego wieku objętość ściekowych zbiorników retencyjnych w Niemczech wynosiła ponad 12 km3 i ścieki te przekazywane są sukcesywnie do oczyszczalni ścieków, co często niekorzystnie zmienia ich skład, zmniejszając udział ogólnego węgla organicznego (OWO), a w zimie zmniejsza temperaturę, co szczególnie utrudnia proces nitryfikacji. Takich negatywnych wpływów unika się przy zastosowaniu retencji zielonej. Ponadto inwestowanie w zbiorniki retencyjne typu szarego jest kosztowne. O ile dla dużych sieci kanalizacyjnych wymagane jest numeryczne modelowanie transportu zanieczyszczeń do przelewów burzowych [12], o tyle dla małych zlewni kanalizacyjnych korzysta się z metod uproszczonych. Według nomogramów ATV w Niemczech na jeden hektar powierzchni szczelnej zlewni przewiduje się 20m3 do 40m3 pojemności zbiorników retencyjnych. W Polsce sieci kanalizacji deszczowej i ogólnospławnej są niemal w całości o zbyt małej przepustowości z uwagi na to, że stosowane w ubiegłych latach powszechnie równanie Błaszczyka na natężenie opadu deszczu znacznie zaniżało wartości natężenia opadu [14],[15],[17],[28], w niektórych przypadkach nawet do 40%. Do wymiarowania kanałów stosuje się model statyczny, a opady często przemieszczają się nad zlewnią [11], co znacznie może zmieniać przepływy przez kanały. Przeprowadzając porównanie z warunkami niemieckimi należy mieć na uwadze, że w Polsce klimat jest bardziej kontynentalny i dlatego średnie roczne wysokości opadów mniejsze. Jednakże niekoniecznie oznacza to, że dla warunków klimatycznych w Polsce należy spodziewać się dolnej granicy 20m3 wymaganej objętości szarych zbiorników retencyjnych na 1ha szczelnej powierzchni zlewni. Jak bowiem wynika z rysunku 1 największe wysokości opadów, tak w Polsce jak i w Niemczech, Austrii i w Czechach przypadają na lipiec i akurat w tym miesiącu średnia wieloletnia wysokość opadów w Polsce jest nawet nieznacznie większa niż w Niemczech. Ponadto przy obecnych zmianach klimatycznych, co prawda w skali naszego kraju nie ma jednoznacznie udokumentowanego wzrostu średniej rocznej wysokości opadu, tak jak to można wykazać w skali całego kontynentu, ale nie ulega wątpliwości iż wydłużają się okresy czasu pomiędzy opadami, a ich intensywność rośnie [7]. Tak więc w Polsce konieczne jest znaczne zwiększenie retencji terenowej i/lub infrastruktury zielonej, dającej wielorakie korzyści oprócz zmniejszenia odpływu wód deszczowych ze zlewni.
Przelewy awaryjne
Zazwyczaj zmniejszenie ładunków zanieczyszczeń zrzucanych przez przelewy burzowe kanalizacji ogólnospławnej przyjmuje się za najistotniejszą rolę infrastruktury zielonej w terenach silnie zurbanizowanych. Jeszcze większe zagrożenie dla środowiska mogą stanowić zrzuty przez przelewy awaryjne oczyszczalni ścieków. Problem ten jest przemilczany w Polsce gdyż w przeciwieństwie do U.S.A. [6] nie ma procedury prawnej zmuszającej zakład komunalny do przekazywania informacji i gromadzenia ich na szczeblu krajowym, a co najważniejsze do zwolnienia z odpowiedzialności kierownictwo przedsiębiorstwa komunalnego i obsługę oczyszczalni ścieków i kanalizacji, o ile odpowiedzialna instytucja ma opracowany i zatwierdzony przez Agencję Ochrony Środowiska U.S.A. plan zmierzający do ograniczenia zrzutów awaryjnych wraz z harmonogramem kosztów, prowadzone działania są zgodne z tym planem, a zrzut ścieków zostanie w ciągu 24 godzin zgłoszony i raportowany szczegółowo w ustawowym terminie [6].
L I T E R AT U R A
[1] Ashley R.M., Dąbrowski W., Dry and storm weather transport of Coliforms and Faecal Streptococci in combined sewage, Water Sci. Technol., 1995, 31, 7, 311-21
[2] Ashley R.M., Dąbrowski W., Mendel K., Stępień P., Empiryczna ocena zależności pomiędzy wskaźnikami ścieków w kanalizacji, Ochrona Środowiska,1996, 3(62),33-36
[3] Beichert J., Influence of sewer sediments on the overflow load for various combined sewer systems, Wat.Sci.Tech., 1992, Vol.25, 217-224
[4] Burszta–Adamiak E. Zielone dachy jako element zrównoważonych systemów odwadniających na terenach zurbanizowanych. Monografie CLXXV, Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Wrocław 2014
[5] Dąbrowski W., Ocena wielkości ładunków zrzucanych przez przelewy burzowe, Gaz,Woda i Technika Sanitarna, 2007, marzec, 22-25
[6] Dąbrowski W., Dąbrowska B., Zrzuty wprost z kanalizacji sanitarnej, Instal, 2015,4,56-58
[7] Dąbrowski W., Dąbrowska B., Przewidywany wpływ zmian klimatu na dysfunkcję systemów odprowadzania ścieków, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 2012,1,17-20
[8] Dąbrowski W., Rola retencji terenowej w ograniczaniu spływów powierzchniowych na przykładzie pola golfowego, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 2007, 12, 17-21
[9] Dąbrowski W., Wpływ kanalizacji na środowisko, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 2004, 218 str
[10] Dziopak J., Nowa konstrukcja kanalizacyjnego zbiornika retencyjnego typu Contract, Ochrona Środowiska, 1984, 4434/3-4, (20-21), 59-62
[11] Dziopak J. Starzec M., Influence of direction and velocity of precipitation displacement on sewage system dimensioning, Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury, JCEAA, t. XXXI, z.61, July-September, 2014, 63-81
[12] EN 752:2008 „Drain and sewer systems outside buildings”, styczeń 2008, (PKN 2008)
[13] Environmental Protection Agency, State Water Resources Control Board, Sanitary sewer overflow incident map, www.waterboards.ca.gov./ water_issues/programssso/sso_map/ sso_pub. shtml, stan z 14.07.2015
[14] Kaźmierczak B., Kotowski A., Verification of storm water drainage capacity in hydrodynamic modeling, Prace Naukowe Instytutu Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2012, 92, monografia 57, 142pp.
[15] Kaźmierczak B., Kotowski A., Depth-duration frequency rainfall model for dimensioning and modelling of Wrocław drainage systems, Environmental Protection Engineering, 2012,38,4, 127-138
[16] Kisiel A., Kisiel J., Malmur R., Mrowiec M., Retention tanks as key elements of modern drainage systems, Czasopismo Techniczne, 2008, 1-Ś, 41-63
[17] Kotowski A., Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnień terenów, Seidel-Przywecki, Warszawa 2011, str. 527
[18] McGarity A.E., Mszalny S., Cohen J., StormWISE model using green infrastructure to achieve Philadephia’s CSO volume reductions at minimum cost, Proceedings from the ASCE-EWRI Congress in Sacramento, CA, May 2017
[19] Mrowiec M., Efektywne wymiarowanie i dynamiczna regulacja kanalizacyjnych zbiorników retencyjnych, monografie – Politechnika Częstochowska, 2009, nr 171
[20] Mrowiec M., Kochańska O., Szeląg B., Application of the vacuum-driven tanks – technical and economical analysis, Inżynieria i Ochrona Środowiska, 2014,17,1,31-40 (in Polish)
[21] Obarska-Pempkowiak H., Gajewska M., Wojciechowska E., Hydrofitowe oczyszczanie wód i ścieków, PWN, Warszawa 2010
[22] Obarska-Pempkowiak H., Gajewska M., Wojciechowska E., Prezent state and future of Wetland technology in environmental protection in Poland. Pawłowski L., Dudzińska M., Pawłowski A. (eds, Ecological Engineering), Taylor& Francis Group, Londyn, 2007, str 63-70
[23] Shoemaker l., Riverso J., Alvi K., Zhen J.X., Paul S., Rafi T., Tetra Tech.,Inc., SUSTAIN – A framework for placement of Best Management Practices in urban watersheds to protect water quality, EPA Contract No. GS-10F-0268K, National Risk Management Research Laboratory, Office of Research and Development, US Environmental Protection Agency, Cincinnati, OH 45268, EPA- /600/R-09/095, Sept. 2009
[24] Słyś D., Application of numerical simulation in design of innovative Kalipso-type sewage tank, Environment Protection Engineering, 2010,36,3, 113-126
[25] Stirrup M., Marchandt D., Simulation of combined sewer overflow storage tank, Journal of Water Management Modeling, 2002, R208-17. doi: 10.14796/JWMM.R208-17, 271-287
[26] Szeląg B., Bąk Ł., Probabilistic model for the annual number of storm overflow discharges in a stormwater drainage system, Urban Water Journal, 2016, wrzesień, 15-20
[27] Szeląg B., Kiczko A., The graphic method of sizing pipe reservoir for short, high intensity rainfalls, Annuals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW, Land Reclamation, 2014, 46,3,221-232
[28] Węglarczyk S., On the correctness of the Błaszczyk equation for design rainfall calculations, Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich / Infrastructure and Ecology of Rural Areas, PAN, Nr 3/IV/2013, 63-76
[29] Wojciechowska E., Zastosowanie zielonej infrastruktury do ograniczania zanieczyszczenia wód powierzchniowych w zlewni miejskiej, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, 2018,vol.147, 154 str.