Likvidácia zrážkovej vody z povrchového odtoku prostredníctvom vsakovacej šachty v praxi

1. Úvod

Odvedenie nadbytočného objemu zrážkovej vody z veľkých plôch striech a spevnených plôch, a to najmä pri krátkodobých prívalových dažďoch s vysokou intenzitou úhrnu zrážok, sa v súčasnosti stáva okrem iného i technickým problémom. Kanalizačné systémy, čistiarne odpadových vôd a recipienty vodných tokov sú preťažené a v mnohých prípadoch aj poddimenzované, čím sa zvyšuje riziko povodní. V dôsledku toho môžu vznikať záplavy ako aj zvýšené zaťaženie znečistením v malých tečúcich vodných tokoch, s vysokým podielom znečistenia z obytných plôch v oblasti povodia. S prihliadnutím na potenciálne znečistenie odvodňovaných oblastí, návrat zrážkových vôd do prírodného systému cirkulácie vody je ekologicky najvhodnejšie. Návrhom vsakovacích zariadení sa znižuje prvotný odtok o objem vody pritekajúcej najprv do tohto zariadenia, čím sa zníži preťaženie kanalizačných systémov najmä v prvotnej fáze krátkych prívalových dažďov.

2. Požiadavky pre návrh vsakovacích šácht

Vsakovanie zrážkovej vody z povrchového odtoku ako spôsob likvidácie zrážkového odtoku, sa postupom času stáva neoddeliteľnou súčasťou manažmentu zrážkových vôd [8].

Jedným z druhov vsakovacích zariadení sú vsakovacie šachty. Jedná sa o vertikálne podzemné vsakovacie zariadenie, ktoré je v prevažnej väčšine tvorené betónovými skružami s filtračnou vrstvou v dne. Zrážková voda je zo záchytnej plochy (povodia) privádzaná systémom vertikálnych a horizontálnych dažďových potrubí do podzemného priestoru.

Keďže sa jedná o podzemné vsakovacie zariadenie, kde najväčší rozmer zariadenia je jeho hĺbka, návrh vsakovacích šácht je obmedzovaný jednak najvyššou hladinou vody v šachte a jednak hladinou podzemnej vody v záujmovej lokalite.

Návrhom riešenia vsakovania sa musí zabezpečiť ochrana podzemnej vody a vsakovacia schopnosť šachty. Nemecká smernica DWA-A 138 uvádza, že je nutné na dno vsakovacej šachty umiestniť filtračný vak, ktorý sa nachádza nad filtračnou vrstvou. Celý objem zrážkovej vody musí pred vsiaknutím prejsť cez filtračný vak. Vo filtračnom vaku sa zadržia všetky odlúčiteľné a odfiltrované látky zo zrážkovej vody, preto sa musí dať podľa potreby filtračný vak prepláchnuť alebo vymeniť [1].

Česká norma na vsakovanie uvádza, aby sa na dno šachty nasypala vrstva štrkopiesku o výške minimálne 300 mm. Na túto vrstvu sa položí geotextília, ktorú sa odporúča chrániť vrstvou štrkopiesku. Potrubie sa musí priviesť až k dnu šachty a výtok upraviť tak, aby nedochádzalo k víreniu a odplavovaniu pieskovej vrstvy [2].

Pre bezpečnú funkciu vsakovacích šácht musí byť spracovaný ich korektný návrh a dimenzovanie, a v čo najväčšej miere sa musí prihliadať na stav a miestne podmienky v mieste ich návrhu.

Veľmi dôležitým parametrom návrhu nielen vsakovacích šácht, ale vo všeobecnosti vsakovacích zariadení, je stanovenie koeficientu vsakovania k_f v mieste realizácie zariadenia.

Koeficient vsakovania k_f vo všeobecnosti reprezentuje účinnosť vsakovacieho zariadenia, resp. schopnosť podložia privádzanú zrážkovú vodu vsakovať.

Priepustnosť vsakovacej zóny je základným kvalitatívnym a kvantitatívnym predpokladom pre vsakovanie zrážkovej vody. Priepustnosť sypkej horniny závisí predovšetkým na veľkosti a distribúcii jej častíc a kompaktnosti; pri pôdach je rozhodujúca pôdna štruktúra a teplota vody a je daná prostredníctvom koeficientu vsakovania. Pri sypkých horninách sa k_f pohybuje všeobecne v rozmedzí 1.10⁻² až 1.10⁻¹⁰ m/s. Hodnoty k_f platia pre proces vsakovania vo vodou nasýtených zónach. Rozsah hodnôt vsakovacieho koeficientu pre technické odvodnenie sa pohybuje v rozmedzí od 1.10⁻³ a 1.10⁻⁶ m/s.

Obr.1 Informatívny rozsah hodnôt koeficientu vsakovania [1]

S hodnotami k_f väčšími ako 1.10⁻³ m/s nie je možné dosiahnuť pre zrážkový odtok a malú hĺbku hladiny podzemnej vody dostatočné prečistenie prostredníctvom chemických a biologických procesov.

Ak sú hodnoty k_f menšie ako 1.10⁻⁶ m/s, perkolačné zariadenia sú zaťažované podstatne dlhší čas. Z tohto dôvodu môžu vznikať v nenasýtenej pôde anaeróbne procesy, čo má za následok nepriaznivé účinky na retenčné a kapacitné schopnosti pôdy.

3. Experimentálny výskum účinnosti vsakovania

Obr. 2 Situovanie vsakovacích šácht pri budove PK6


Obr. 3 Rozdelenie povrchového odtoku zo strechy do jednotlivých šácht

V rámci projektu SUSPP-0007-09 týkajúceho sa hospodárenia so zrážkovými vodami, prebieha na Stavebnej fakulte v Košiciach, výskum vsakovacích šácht ako jedného z druhov vsakovacích zariadení. Výskum je zameraný na meranie prietokov zo strešnej konštrukcie do vsakovacích šácht, času vsakovania zrážkovej vody na dne šachty a meranie kvality zrážkovej vody [9].

Výskum v oblasti vsakovania sa realizuje vo vsakovacích šachtách, ktoré boli zhotovené už pred začatím výskumu a meraní v nich. Obe vsakovacie šachty sa nachádzajú v areáli Technickej univerzity v Košiciach pri budove PK6, z ktorej celkový povrchový odtok zo strešnej konštrukcie (sedlovej strechy) je odvádzaný do spomínaných dvoch vsakovacích šácht (obr. 2).

Je nutné podotknúť, že projekt odkanalizovania budovy a ani projekt návrhu a realizácie vsakovacích šácht nie je k dispozícii. Všetky údaje, či už sú to parametre vsakovacích šácht, alebo spôsob riešenia odvádzania zrážkových vôd z predmetnej budovy, boli zisťované priamo na mieste. Odvádzanie zrážkových vôd je riešené spôsobom zrejmým z obr. 3.

Obe vsakovacie šachty sú umiestnené pri východnej stene budovy PK6. Šachty sú zrealizované z betónových skruží o vonkajšom priemere 1000 mm. Parametre vsakovacích šácht sú uvedené v tab. 1:

Obr. 4 Rez vsakovacími šachtami

Merania poskytujúce informácie o prietokoch a čase infiltrácie pritečeného objemu zrážkovej vody sú zabezpečované nasledovne:

Centrálou, resp. riadiacou jednotkou pre generovanie nameraných údajov, je univerzálna riadiaca jednotka M4016, ktorá je situovaná vo vsakovacej šachte A (obr. 5). Vsakovacia šachta B, resp. prístroje v nej situované, sú taktiež napojené na túto riadiacu jednotku.

Jednotka M4016 v sebe zahŕňa univerzálny datalogger, telemetrickú stanicu so vstavaným GSM/GPRS modulom, programovateľný riadiaci automat, a v spojení s ultrazvukovými alebo tlakovými snímačmi hladiny viacnásobný prietokomer [3].

Obr. 5 Riadiaca jednotka M4016 v šachte A

Obr. 6 Merací žľab a ultrazvuková sonda v šachte A

Pod prítok, resp. vyústenie dažďového zvodového potrubia v šachte, sú v oboch vsakovacích šachtách umiestnené meracie žľaby na meranie prietoku zrážkovej vody zo strechy objektu budovy PK6. Zrážková voda zo strechy objektu PK6 je teda privádzaná dažďovými potrubiami priamo do meracích žľabov, nad ktorými sú umiestnené ultrazvukové sondy prenášajúce údaje o výške hladiny v meracom žľabe do riadiacej jednotky M4016 (obr. 6).

V riadiacej jednotke M4016, do ktorej je prenášaný signál z ultrazvukovej sondy, je prednastavených 14 rovníc pre najčastejšie používané prietokové profily. Výpočet prietoku vychádza zo závislosti výška hladina/prietok. Pre potreby nášho merania je výpočet okamžitého a kumulovaného prietoku, vypočítaný z výšky hladiny podľa prednastavených parametrov použitého merného profilu – Thomsonov priepad.

Obr. 7 Thomsonov priepad

Obr. 8 Tlakový snímač pre meranie výšky hladiny vody na dne vsakovacích šácht

Thomsonov priepad je tvorený dvoma priepadovými hranami, ktoré zvierajú uhol 90° (obr. 7). Os tohto uhla musí byť zvislá [5].

Meranie prietokov sa neskôr rozšírilo o ďalšie parametre, a to najmä o účinnosť vsakovacej šachty pri vsakovaní zrážkovej vody na dne šachty, resp. rýchlosť vsakovania pritečeného objemu vody.

Meranie vsiaknutia pritečeného objemu zrážkovej vody prebieha na dne oboch vsakovacích šácht, kde sú umiestnené tlakové snímače výšky hladiny typu LMP307 (obr. 8). Snímače sú umiestnené v kovovej nádobe na dne šácht a slúžia na kontinuálne merania výšky vodnej hladiny a vsakovacej schopnosti šachty. Tlakový snímač je vyhotovený z nerezovej ocele so stupňom krytia IP 68 [4] a je napojený komunikačným káblom k dátovej jednotke M4016 odkiaľ sú namerané dáta taktiež v minútových intervaloch, podobne ako dáta prietokov, zasielané priamo na server.

Ako bolo už vyššie spomenuté, veľmi dôležitým, a dá sa povedať najdôležitejším parametrom návrhu nielen vsakovacích šácht, ale vo všeobecnosti vsakovacích zariadení, je stanovenie koeficientu vsakovania k_f v mieste realizácie vsakovacieho zariadenia.

Keďže projekt vsakovacích šácht nie je k dispozícii, bolo nutné zistiť, aká je morfológia záujmovej lokality, resp. aké sú pôdne podmienky na dne vsakovacej šachty.

Tieto informácie nám poskytli jednak hydrogeologický profil objektu Technicom nachádzajúceho sa v rovnakom areály TU Košice a taktiež odobratie pôdnych vzoriek z dna oboch vsakovacích šácht.

Obr. 9 Schematický geologický rez danej lokality [6]

Morfológiu záujmovej lokality tvorí rovinaté územie aluviálnej nivy rieky Hornád. Ako vyplýva z inžinierskogeologického prieskumu danej lokality, ktorý bol vyhotovený v rámci areálu TU Košice pre objekt Technicom (obr. 9), sa na povrchu danej lokality nachádzajú antropogénne sedimenty (navážky), pod ktorými vystupujú fluviálne náplavy rieky Hornád a pod nimi sedimenty neogénneho veku [6].

Navážky na skúmanej lokalite majú väčšinou charakter štrkovitých ílov, pričom valúnovú zložku okrem prirodzeného štrku tu často tvorí stavebný odpad. Prieskumnými vrtmi sa overila mocnosť týchto navážok 0,5–0,6 m. Pod navážkami boli na území celej skúmanej lokality overené fluviálne náplavy rieky Hornád. Bezprostredne pod navážkami bola overená súvislá vrstva tzv. povodňových hlín o mocnosti 4,0–4,5 m, ide o íl s nízkou až strednou plasticitou. Pod povodňovými sedimentami v rozsahu celej lokality vystupujú fluviálne štrkovité sedimenty o mocnosti 5,0–7,0 m, a ide o štrky s prímesou jemnozrnnej zeminy. Spodná vrstva je tvorená ílovitým štrkom o mocnosti 0,7–2,7 m [6] (obr. 9).

Overenie hydrogeologického prieskumu pre danú lokalitu, resp. overenie koeficientu vsakovania podložia v skúmaných vsakovacích šachtách pri budove PK6, bolo vykonané odobratím vzoriek zeminy z dna oboch vsakovacích šácht. Laboratórnymi skúškami boli vzorky vyhodnotené ako štrk s prímesou jemnozrnnej zeminy a koeficient vsakovania stanovený na k_f = 1.10⁻³ m/s, čo potvrdilo hydrogeologický prieskum danej lokality vyhotovený pre objekt Technicom v areáli TU Košice.

Koeficient vsakovania k_f = 1.10⁻³ m/s na dne predmetných vsakovacích šácht, predstavuje vysokú vsakovaciu schopnosť podložia pre vsakovacie zariadenia.

Obr. 11 Priebeh výšky hladiny v meracom žľabe vzhľadom na prítok vody počas zrážky 24. 4. 2012


Obr. 12 Priebeh pritekajúceho objemu zrážkovej vody počas zrážky 24. 4. 2012


Obr. 13 Priebeh kolísania hladiny vody resp. priebeh vsaku na dne šachty počas zrážky 24. 4. 2012

Potvrdzujú to aj grafy 11 až 13, na ktorých je znázornený grafický priebeh prítoku zrážkovej vody do vsakovacej šachty resp. do meracieho žľabu, vypočítaný objem pritekajúcej vody a priebeh zmien výšky hladiny zrážkovej vody na dne vsakovacej šachty A. Čas vsakovania zrážkovej vody na dne vsakovacej šachty v podstate kopíruje čas trvania zrážky, resp. prítoku zrážkovej vody do vsakovacej šachty.

Ako vyplýva nielen z grafov na obr. 11–13 znázorňujúcich len jednu zrážkovú udalosť, ale aj z celkovo nameraných údajov počas výskumu, infiltrácia celkového objemu zrážkovej vody z povrchového odtoku pritečenej do vsakovacej šachty, prebehne už v čase ukončenia zrážkovej udalosti, resp. krátko po nej, čo predstavuje vysokú vsakovaciu schopnosť skúmanej vsakovacej šachty, danej koeficientom infiltrácie na dne šachty. Preto napriek menšej vsakovacej ploche vsakovacích šácht oproti iným druhom vsakovacích zariadení, koeficient vsakovania u skúmaných vsakovacích šácht k_f = 1.10⁻³ zaručuje bezpečné zneškodňovanie povrchového odtoku. Maximálna výška vodnej hladiny na dne vsakovacej šachty A, nameraná v období výskumu predstavuje 42 cm, čo je 1/10 navrhnutej plniacej výšky vsakovacej šachty A.

Tab.č.2 reprezentuje výpočet požadovaného času vsiaknutia návrhového dažďa pre jednotlivé koeficienty vsakovania k_f. V tab. č. 2 sú uvedené taktiež hodnoty potrebnej výšky vsakovacej šachty a požadovaného retenčného objemu pre jednotlivé koeficienty vsakovania k_f. Ako vstupné údaje boli použité rozmery existujúcej, vyššie popísanej vsakovacej šachty A. Výpočet bol realizovaný pre všetky dostupné dĺžky trvania zrážok od 5 do 180 minút v lokalite Košice, pričom návrhové hodnoty sú pre najnepriaznivejšie hodnoty dané výpočtom. Jediná hodnota, ktorá sa vo výpočte mení, je koeficient vsakovania. Z tabuľky jednoznačne vyplýva, že optimálne hodnoty koeficientu vsakovania k_f sa pohybujú v rozmedzí k_f = 10⁻³ do k_f = 10⁻⁵ m/s.

Obr. 10 Rez šachty A v geologickom profile

Ako je aj vyššie popísané, vsakovacie šachty majú hĺbku 6 metrov. Na obrázku 10 je znázornený geologický profil, v ktorom sú vsakovacie šachty navrhnuté. Do hĺbky 5 metrov siaha súvislá vrstva nepriepustných ílov. Ak by dno vsakovacej šachty bolo navrhnuté do hĺbky menej ako 5 metrov, tzn. na nepriepustné íly, vsakovacie šachty by v podstate neboli schopné privádzanú zrážkovú vodu z celej strešnej konštrukcie v požadovanom čase vsiaknuť.

Preto je nutná znalosť miestnych podmienok. Pomocou hydrogeologického prieskumu projektant môže jednoznačne predpokladať či vsakovanie je v danej lokalite vôbec možné vzhľadom na geologický profil, a poskytne mu údaje o hydrologických pomeroch taktiež potrebných pre návrh, umiestnenie a dimenzovanie vsakovacieho zariadenia.

4. Záver

Vsakovaniu zrážkových vôd z povrchového odtoku treba venovať pozornosť. Podľa českej normy ČSN 75 9010, projektant vsakovacieho zariadenia MUSÍ pri návrhu vsakovania vychádzať z výstupov geologického prieskumu pre vsakovanie prevedené v príslušnej lokalite. Existuje viacero prípadov, kedy v dôsledku nedôsledného a najmä nesprávneho návrhu, vsakovacie zariadenia nedostatočne, prípadne iba čiastočne plnili svoju funkciu, a v mnohých prípadoch dochádzalo k škodám na majetku.

Poďakovanie

Centrum spolupráce bolo podporované Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. SUSPP-0007-09 a 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] ČSN 75 9010 – Vsakovací zařízení srážkových vod 2012
• [3] Technické podklady Fiedler-magr – Manuál M4016
• [4] Technické podklady Fiedler-magr – Manuál tlakové snímače výšky hladiny typu LMP307
• [5] Mosný, V.: Hydrológia – Morfológia povodia a prietoky. Bratislava, vydavateľstvo STU, ISBN 80-227-1782-7
• [6] Záverečná správa geologických prieskumných prác pre objekt Technicom – Areál TU Košice, 2010
• [7] ŽABIČKA, Z.: Technická řešení vsakovacích zařízení. In Sanhyga, s. 17–28, Piešťany, 2010, ISBN 978-80-89216-35-2
• [8] Vranayová Z., Karelová Z., Očipová D., – Trvalo udržateľný prístup v hospodárení so zrážkovou vodou / – 2011. In: TZB-info. (2011), p. 1–9. – ISSN 1801-4399
• [9] Vranayová Z., Očipová D., – Využitie zrážkových vôd z povrchového odtoku – prípadová štúdia – 2011. In: SANHYGA 2011: 16. medzinárodná konferencia: zborník prednášok Piešťany. – Bratislava: SSTP, 2011 S. 91–96. – ISBN 978-80-89216-42-0