Jak wyznaczyć miarodajne natężenie deszczu w Polsce Źródło: canva.com
Jak wyznaczyć miarodajne natężenie deszczu w Polsce Źródło: canva.com

1.    Podstawy zagadnienia projektowania kanalizacji deszczowej

Każdy inżynier, który zamierza projektować kanalizacje deszczową musi poznać kluczowe parametry do obliczeń oraz zebrać niezbędne dane wyjściowe.

Z projektu zagospodarowania terenu (Zdj. 1) lub projektu drogowego wyznaczymy rodzaje powierzchni m.in.:

  • powierzchnie dachów,
  • powierzchnie dróg bitumicznych,
  • powierzchnie dróg kamiennych,
  • powierzchnie dróg tłuczniowych,
  • powierzchnie chodników np. z kostki brukowej,
  • powierzchnie parków i ogrodów.
Zdjęcie 1. Przykładowe zagospodarowania terenu hali magazynowej. Źródło: maps.google.pl
Zdjęcie 1. Przykładowe zagospodarowania terenu hali magazynowej. Źródło: maps.google.pl

Następnie na podstawie charakterystyki każdej zlewni musimy wyznaczyć współczynniki spływu, czyli ilość wody deszczowej, która spłynie z danej powierzchni.

Wartość współczynnika zależy m.in. od rodzaju pokrycia terenu, spadku terenu, budowy geologicznej oraz natężenia i czasu trwania deszczu.

Zdjęcie 2. Zdjęcie deszczu padającego na dach. Dla dachów szczelnych, w zależności od spadku powierzchni, współczynnik spływu wynosi od 0,85 do 1,0. Źródło: canva.com Autor: Adrien Olichon.
Zdjęcie 2. Zdjęcie deszczu padającego na dach. Dla dachów szczelnych, w zależności od spadku powierzchni, współczynnik spływu wynosi od 0,85 do 1,0. Źródło: canva.com Autor: Adrien Olichon.

Kolejnym krokiem jest wybór prawdopodobieństwa pojawienia się deszczu „p”, które określa, ile razy w przeciągu stulenia zostanie osiągnięte przekroczenie danego natężenia deszczu.

Prawdopodobieństwo pojawiania się deszczu miarodajnego „p” zależy od rangi odwadnianych obiektów.

W projektach odwodnienia dróg prawdopodobieństwo ustalamy wg klasy drogi na podstawie Rozporządzenia Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie.

Zgodnie z treścią rozporządzenia wymiary urządzeń odwadniających drogę ustala się na podstawie deszczu miarodajnego, określonego przy prawdopodobieństwie p pojawienia się opadów, przy czym prawdopodobieństwo to wynosi:

1) p = 10% – na drodze klasy A lub S;

2) p = 20% – na drodze klasy GP;

3) p = 50% – na drodze klasy G lub Z;

4) p = 100% – na drodze klasy L lub D.

W projektach przyłączy na terenie miasta lub wsi natężenie deszczu zazwyczaj ustalamy na podstawie wytycznych projektowania Przedsiębiorstw Wodociągów i Kanalizacji.

Na przykład w Poznaniu, Spółka Aquanet w wytycznych projektowania zbiorników retencyjnych wymaga przyjęcia miarodajnego natężenia deszczu q = 132 dm3/s*ha dla 15-minutowego deszczu obliczeniowego o częstotliwości powtarzania się raz na pięć lat c=5; prawdopodobieństwo p=20%.

Znając lokalne natężenie deszczu dla Poznania z Polskiego Atlasu Natężeń Deszczów PANDa, przyjmowanie natężenia q=132 dm3/s*ha budzi spore wątpliwości.

W przypadku braku wytycznych obliczamy

wg normy PN-EN 752-4 Zewnętrzne systemy kanalizacyjne. Obliczenia hydrauliczne i oddziaływanie na środowisko.

Tabela 1. Zalecenia występowania częstotliwości deszczu miarodajnego wg PN-EN-752-4

Tabela 1. Zalecenia występowania częstotliwości deszczu miarodajnego wg PN-EN-752-4
Tabela 1. Zalecenia występowania częstotliwości deszczu miarodajnego wg PN-EN-752-4

lub wg normy PN-EN 12056-3 Systemy kanalizacji grawitacyjnej wewnątrz budynków Cz. 3 Przewody deszczowe Projektowanie układu i obliczenia.

Zgodnie z powyższą normą wielkość natężenia opadów należy przyjmować od 100 do 600 l/(s*ha) oraz przemnożyć wybrana wartość przez współczynnik ryzyka obiektu.

Zgodnie z tą normą powierzchnie dachów wymiarowane są w Polsce tradycyjnie na opady 300 l/(s*ha).

Warto zwrócić uwagę na istotny zapis w normie PN-EN 12056-3:

W przypadku gdy nie istnieją dane statystyczne o opadach atmosferycznych, minimalne natężenie opadów traktowane jako podstawa do obliczeń projektowych, powinno być wybrane spośród wartości wyszczególnionych w normie.

Wychodząc z założeń normy, dane statystyczne lokalnych opadów powinny być nadrzędnym kryterium wymiarowania kanalizacji deszczowej i dachów.

Znając prawdopodobieństwo, wyznaczamy czas trwania deszczu „t”, określony w minutach. Czas trwania deszczu wyznaczamy jako czas przepływu wód opadowych do odbiornika lub czas przepływu wody pomiędzy dwoma punktami obliczeniowymi.

Z praktycznego punku widzenia, do obliczeń przyjmujemy czas trwania deszczy równy 10 lub 15 minut.

Przeciętne sumy opadu w Polsce w latach 1971 – 2000

Średnia suma opadów wynosi blisko 600 mm, ale opady wahają się od poniżej 500 mm w środkowej części Polski do niemal 800 mm na wybrzeżu i ponad 1000 mm w górach.

W literaturze dostępny jest uproszczony wzór obliczenia natężenia deszczu wg Błaszczyka. Wynika to z przyjęcia średniego opadu dla Polski H = 600 mm. Z poniższej mapy Polski można wnioskować, że Model Błaszczyka może mieć zastosowanie jeszcze do projektowania systemów kanalizacji w centralnej Polsce.

Dla zwiększenia pewności dobranych rozwiązań projektowych zalecałbym porównanie natężenia deszczu Modelu Błaszczyka z pomiarem otrzymanym z Atlasu Natężeń PANDa i przyjęcie do obliczeń najbardziej niekorzystnej wartości.  

Rysunek 1. Przeciętne sumy opadu w Polsce. Lata 1971 – 2000. Źródło: https://pl.wikipedia.org/ Atlas Klimatyczny Polski IMGW 2005
Rysunek 1. Przeciętne sumy opadu w Polsce. Lata 1971 – 2000. Źródło: https://pl.wikipedia.org/ Atlas Klimatyczny Polski IMGW 2005

Natężenie deszczu miarodajnego

Natężenie deszczu jest to wysokość opadu przypadająca na jednostkę czasu.
Natężenie deszczu może być wyrażone w dwóch postaciach:

w mm na minutę,
J = h / t [mm/min]

w litrach na sekundę i hektar.
q = 166,7 * J [dm3/(ha*s)]
Natężenie deszczu w powyższej postaci określa ilość deszczu w litrach, który spada w czasie 1 sekundy na powierzchnię 1 hektara przy natężeniu J = 1 mm/min.

Przykładową zależność maksymalnego natężenia deszczu od czasu jego trwania przedstawia wykres poniżej:

Rysunek 2. Zależność natężenia deszczu od czasu trwania deszczu na podstawie danych pozyskanych z Polskiego Atlasu Natężeń Deszczów PANDa. Zależność dla przykładowego regionu Polski.
Rysunek 2. Zależność natężenia deszczu od czasu trwania deszczu na podstawie danych pozyskanych z Polskiego Atlasu Natężeń Deszczów PANDa. Zależność dla przykładowego regionu Polski.

Natężenie jest tym większe, im czas trwania opadu jest krótszy oraz im prawdopodobieństwo wystąpienia i zasięg deszczu są mniejsze (R. Edel 2017).

2.    Standard projektowania kanalizacji deszczowej w Polsce

Metodykę obliczenia natężenia deszczu przyjmuje projektant w uzgodnieniu z inwestorem lub gestorem sieci deszczowej.

Jakie doświadczenie mają projektanci kanalizacji w Polsce?

Na podstawie moich obserwacji mogę napisać, że większość projektantów korzysta z formuły Błaszczyka.

Jest to metoda uproszczona i stosowana zazwyczaj do obszaru o powierzchni nie większej niż 50 ha. Według normy PN-EN 752-4 nawet dla powierzchni do 200 ha lub czasów koncentracji do 15 min można wykonać obliczenia natężenia deszczu metodą uproszczoną przy założeniu stałej intensywności deszczu.

Maksymalny przepływ miarodajny do wymiarowania przekrojów kanału metodą uproszczoną wyznacza się ze wzoru:

𝑸 = 𝒒 ∙ 𝝍 ∙ 𝑭, [l/s]

gdzie:

Q – przepływ obliczeniowy – maksymalne natężenie przepływu, [w litrach na sekundę],
q – natężenie deszczu miarodajnego – intensywność opadu deszczu, [w litrach na sekundę i hektar],
ψ – współczynnik spływu powierzchniowego, wyznaczony dla różnych powierzchni zlewni (między 0,0 a 1,0), [bezwymiarowy],
F – powierzchnia zlewni danej powierzchni, [w hektarach].

Wzór ten również służy do wyznaczenia dopływu wód opadowych do zbiornika retencyjnego.

Standard przyjmowania natężenia deszczu w Polsce

Miarodajne natężenie deszczu obliczone wg wzoru Błaszyka:

q = 132 dm3/s*ha dla 15-minutowego deszczu obliczeniowego o częstotliwości powtarzania się raz na pięć lat c=5; prawdopodobieństwo p=20%.
Stosowany wzór Błaszczyka z 1954 r. obliczenia miarodajnego natężenia deszczu  jest oparty na nieaktualnych danych i przyjmowanie do projektów obliczonych wyników budzi wątpliwości u wielu projektantów.

Nie ma jednak wątpliwości, że wzór Błaszyka jest nadal powszechnie stosowany.

3.    Popularne modele opadów stosowane w Polsce

Model Błaszczyka z 1954 roku

Model Błaszyka został opracowany pół wieku temu, a opiera się na danych sięgających XIX wieku. Obecnie w Polsce, najczęściej stosowanym w projektowaniu odwodnienia terenów jest model opadów Błaszczyka. Wzór ten został wyprowadzony na podstawie 67-letniego zbioru obserwacji deszczów w Warszawie z okresu lat 1837-1959 przy zastosowaniu metody średnich natężeń.

Model Bogdanowicz i Stachy z 1998 roku

Bogdanowicz i Stachy, na podstawie ogólnopolskich pomiarów deszczy w latach 1960÷1990 na 20 stacjach meteorologicznych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej, opublikowali charakterystyki projektowe opadów. Formuła ta wykorzystywana jest często w Krakowie i Wrocławiu.

Polski Atlas Natężeń Deszczów PANDa z 30-lecia 1986–2015

Podstawą dla platformy PANDa są aktualne dane opadowe z trzech dekad, zarejestrowane z użyciem 100 deszczomierzy spełniających przyjęte w Polsce standardy pomiarowe. Dokładną analizę wyników danych opadowych z Polskiego Atlas Natężeń Deszczów przedstawię w następnym punkcie.

Obecnie  jedynym wiarygodnym źródłem informacji o opadach jest Polski Atlas Natężeń Deszczów, który uwzględnia 100 punktów opadowych zebranych z 30-lecia 1986–2015. W Polsce centralnej jest ok 7000 unikalnych oczek siatki o wymiarach 5 km na 5 km z wartościami natężeń deszczów.

Jest to baza natężenia deszczów miarodajnych dla wszystkich 930 miast Polski.
Projekt PANDa prowadzony jest we współpracy z Instytutem Meteorologii i Gospodarki Wodnej- Państwowym Instytutem Badawczym (IMGW-PIB), w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014 – 2020, w Poddziałaniu 1.1.1 „Badania przemysłowe i prace rozwojowe realizowane przez przedsiębiorstwa”.

Sprawdź tutaj aktualne dane opadowe w Atlasie PANDa

4.    Polski Atlas Natężeń Deszczów PANDa

Jeszcze kilka lat temu nie było w Polsce dostępnego modelu opadowego opartego na aktualnych pomiarach z okresu lat od 1990 do 2020.

Podstawą Polskiego Atlasu Natężeń Deszczów PANDa są aktualne dane opadowe z trzech dekad, zarejestrowane z użyciem 100 deszczomierzy spełniających przyjęte w Polsce standardy pomiarowe. Posiadanie precyzyjnych i rzeczywistych pomiarów urealnia ocenę przyszłych zagrożeń w danym obszarze oraz ułatwia zaplanowanie działań prewencyjnych.

Korzystanie z tej formy pozyskiwania dachy opadowych powinno stać się standardem każdego projektanta.

Nie ma wątpliwości, że natężenie opadu powinno być przyjmowane dla warunków lokalnych. Przyjęcie lokalnych natężeń deszczów z poprzednich lat daje nam pewien stopień bezpieczeństwa bezawaryjnego działania urządzeń kanalizacyjnych.

Napisałem pewien stopień bezpieczeństwa, ponieważ budowa kanalizacji deszczowej musi być uzasadniona ekonomiczna i nie możemy przewymiarować kanalizacji na najgorszy z możliwych przypadków, czyli zalania całego obszaru.

Tabela 2. Obliczenia miarodajnego natężenia deszczu dla prawdopodobieństwa wystąpienia 20% (raz na 5 lat). Porównanie modelu Błaszczyka z Polskim Atlasem Natężeń Deszczów PANDa

Tabela 2. Obliczenia miarodajnego natężenia deszczu dla prawdopodobieństwa wystąpienia 20% (raz na 5 lat). Porównanie modelu Błaszczyka z Polskim Atlasem Natężeń Deszczów PANDa
Tabela 2. Obliczenia miarodajnego natężenia deszczu dla prawdopodobieństwa wystąpienia 20% (raz na 5 lat). Porównanie modelu Błaszczyka z Polskim Atlasem Natężeń Deszczów PANDa
Rysunek 3. Zależność natężenia deszczu od czasu trwania deszczu na podstawie danych pozyskanych z Polskiego Atlasu Natężeń Deszczów PANDa oraz modelu Błaszczyka.
Rysunek 3. Zależność natężenia deszczu od czasu trwania deszczu na podstawie danych pozyskanych z Polskiego Atlasu Natężeń Deszczów PANDa oraz modelu Błaszczyka.

5.    Przykład nr 1 obliczenia spływu ze zlewni dla różnych natężeń deszczu:

Wyznacz średnicę kanału deszczowego „d” odprowadzającego wody opadowe z terenu hali magazynowej o powierzchni dachów 5000 m2, powierzchni dróg asfaltowych 8000 m2, powierzchni bruków 4000 m2 oraz terenów zielonych 5000 m2. Wyznacz średnicę kanału oraz napełnianie.

Tabela 3. Obliczenie spływu ze zlewni „Q” na podstawie znanych powierzchni „F”, przyjętych współczynników spływu „Ψ”  oraz obliczonego natężenia deszczu „q”.

Tabela 3. Obliczenie spływu ze zlewni „Q” na podstawie znanych powierzchni „F”, przyjętych współczynników spływu „Ψ” oraz obliczonego natężenia deszczu „q”.
Tabela 3. Obliczenie spływu ze zlewni „Q” na podstawie znanych powierzchni „F”, przyjętych współczynników spływu „Ψ” oraz obliczonego natężenia deszczu „q”.

Tabela 4. Porównanie odpływu ze zlewni dla różnych natężeń deszczów.

Tabela 4. Porównanie odpływu ze zlewni dla różnych natężeń deszczów.
Tabela 4. Porównanie odpływu ze zlewni dla różnych natężeń deszczów.

W powyższym przykładzie, w zależności od przyjętego natężenia deszczu wynik końcowy różni się od 15 do 25%.

Tabela 5. Dobór kanału deszczowego dla analizowanego przypadku

Tabela 5. Dobór kanału deszczowego dla analizowanego przypadku
Tabela 5. Dobór kanału deszczowego dla analizowanego przypadku

Rozwiązanie

Dla przepływów obliczonych na podstawie natężenia deszczu wg Błaszczyka i Suligowskiego możemy przyjąć spadek kanału i = 0,4% i średnicę d = 0,5 m. Przekrój będzie wypełniony od 75 do 85%.

Dla przepływów obliczonych na podstawie natężenia deszczu wg Polskiego Atlasu Natężeń Deszczów PANDA oraz Bogdanowicz i Stachy musimy zwiększyć spadek kanału do i = 0,5% dla średnicy d = 0,5 m lub zwiększyć średnicę kanału do d = 0,6 m, przy niezmienionym spadku.

Podstawą do prawidłowego wymiarowania kanałów jest prawidłowe założenie maksymalnego kanału, dopuszczenie ewentualnej pracy przy podciśnieniu oraz pozostawienie rezerwy pod dalszą rozbudowę lub przejęcie większych deszczy.

Podsumowanie

Zestawienie Atlasu PANDa z metodą Błaszczyka pokazuje oczywistą przewagę pierwszego systemu. Wzór Błaszczyka posiłkuje się tylko 1 deszczomierzem i uwzględnia czas trwania opadów do 180 min, natomiast cyfrowy model PANDa korzysta aż ze 100 stacji pomiarowych i monitoruje deszcze nawet do 4320 min, dając tym samym efekt glokalizacji.

Wykorzystując wzór Błaszczyka godzimy się na pewne ryzyko, bowiem posługuje się on danymi historycznych z nieznanych źródeł. System PANDa bazuje natomiast na obecnych danych z ostatnich 30 lat, gromadzonych przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowy Instytut Badawczy.

Rysunek 3. Zależność natężenia deszczu od czasu trwania deszczu. Porównanie wyników natężenia deszczu dla prawdopodobieństwa 20% Model Błaszyka vs Atlas Natężeń Deszczów PANDa vs Bogdanowicz i Stachy vs Suligowski
Rysunek 3. Zależność natężenia deszczu od czasu trwania deszczu. Porównanie wyników natężenia deszczu dla prawdopodobieństwa 20% Model Błaszyka vs Atlas Natężeń Deszczów PANDa vs Bogdanowicz i Stachy vs Suligowski

Wszystkie obliczenia wykonałem dla konkretnego obszaru Polski, jednak z uwagi na dane opadowe, na które otrzymałem firmową licencję, nie mogę oficjalnie udostępnić wyników ze wskazaniem miasta. Z tego względu proszę nie przyjmować do projektów wyników obliczeń z niniejszego artykułu.

Proszę jednocześnie pamiętać, że odpowiedzialność za przyjęte rozwiązania projektowe bierze projektant. Na wstępnym etapie projektu inżynier powinien pozyskać informacje o lokalnych opadach i porównać je z obliczonym natężeniem wg modelu Błaszyka, Bogdanowicz i Stachy oraz Suligowskiego.

Powyższa analiza jednoznacznie pokazuje, że otrzymane wyniki natężenia deszczu wg modelu Błaszczyka są zaniżone i nie powinny być podstawą wymiarowania kanałów i zbiorników retencyjnych.

Poniżej zamieszczam link do Polskiego Atlasu Natężeń Deszczów:

Sprawdź tutaj aktualne dane opadowe w Atlasie PANDa

Opracował

mgr inż. Adam Masłowski przy współpracy z retencja.pl

P.S.

Napisz w komentarzu jak liczysz natężenie deszczu? Jakie wartości przyjmujesz w Twoim regionie Polski?

Źródła:

Strony internetowe i katalogi techniczne
http://www.retencja.pl
Polski Atlas Natężeń Deszczu PANDa

  • Roman Edel: Odwodnienie dróg. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności. Warszawa 2017,
  • Wacław Błaszczyk, Marek Roman, Henryk Stamatello: Kanalizacja. Wydawnictwo Arkady. Warszawa 1974,
  • A. KOTOWSKI: Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnieni terenów. Sieci kanalizacyjne. Wydawnictwo Seidel–Przywecki, Warszawa 2015,
  • A. KOTOWSKI, B. KAŹMIERCZAK, A. DANCEWICZ: Modelowanie opadów do wymiarowania kanalizacji. Studia z Zakresu Inżynierii nr 68, Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa 2010,
  • P. LICZNAR, K. SIEKANOWICZ-GROCHOWINA, M. OKTAWIEC, A. KOTOWSKI, E. BURSZTA-ADAMIAK: Empiryczna weryfikacja formuły Błaszczyka do obliczania wartości natężenia deszczu miarodajnego. Ochrona Środowiska 2018, vol. 40, nr 2, ss. 17–22,
  • P. LICZNAR, K. SIEKANOWICZ-GROCHOWINA, M. OKTAWIEC, A. KOTOWSKI, E. BURSZTA-ADAMIAK: Empiryczna weryfikacja modelu Bogdanowicz-Stachý do obliczania wartości natężenia deszczu miarodajnego. Ochrona Środowiska 2018, vol. 40, nr 3, ss. 21-28,
  • Polska Norma PN-EN 752-4 Zewnętrzne systemy kanalizacyjne,
  • Polska Norma PN-S-02204:1997 „Drogi samochodowe. Odwodnienie dróg”,
  • Rozporządzenia Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie.

2 KOMENTARZE

  1. Panie Adamie,
    Dziękuję bardzo za artykuł. Pańska praca bardzo ułatwia początkującym projektantom „ugryzienie” tematu.
    Będę wdzięczna za polecenie książek z których Pan czerpie wiedzę.

    Pozdrawiam serdecznie i życzę sobie i innym kolejnych artykułów.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here