Teren wybrany pod potencjalną realizację inwestycji znajduje się w Ożarowie, gmina Jastków, woj. lubelskie. Głębokość przemarzania gruntu wynosi ok. 1,0 m zgodnie z normą PN-81/B-03020. III strefa klimatyczna zgodnie z normą PN-EN 12831. Roczna suma opadów wynosi 600 mm. Utwór gruntowy zgodnie z trójkątem glebowym Fereta sklasyfikowano jako piasek gliniasty o procentowych zawartościach frakcji granulometrycznych: piaskowa 85%, iłowa 10%, pyłowa 5%.
[1]
Badania gruntu wykonane w dniu 09.07.2023 r. polegały na oznaczeniu współczynnika filtracji K, stanowiącego podstawę do matematycznego modelowania procesu infiltracji wody opadowej do gruntu zgodnie z modelem Hortona [2]. Współczynnik filtracji K zależy m.in. od składu granulometrycznego, z którym bezpośrednio powiązana jest porowatość oraz struktura gleby, zawartość próchnicy, skład chemiczny, temperatura gleby, obecność organizmów żywych oraz stosowane zabiegi agrotechniczne. Parametr ten odznacza się dużą zmiennością w czasie i przestrzeni, przez co wymagana jest duża ilość starannie przeprowadzonych prób oznaczenia. Pomiar współczynnika przewodnictwa hydraulicznego K może odbywać się w warunkach naturalnych (badania polowe), lub laboratoryjnych (z zastosowaniem przepuszczalnościomierzy) [3]. Pomiar współczynnika filtracji do celów projektowych przeprowadzono polową metodą opadającego słupa wody, za pomocą cylindra z piezometrem. Przyrząd ten składa się z metalowego cylindra pomiarowego (1), zakończonego stożkowym daszkiem, w którym za pomocą korka gumowego (2) umocowany jest piezometr (3), całość umieszczona jest w metalowym cylindrze ochronnym (4).
[4]
Oba cylindry zostały wbite w grunt na określoną głębokość, a następnie zalane wodą. Pomiar polegał na pomiarze czasu, w jakim słup wody opadał w rurce piezometru z poziomu h1 do poziomu h2, po ustaleniu się tempa opadania zwierciadła wody w piezometrze. Współczynnik filtracji obliczono zgodnie ze wzorem:
Gdzie:
K - współczynnik filtracji, metoda terenowa, cmּ/s
l - głębokość wbicia cylindra w glebę, cm
f - powierzchnia przekroju rurki piezometru, cm2
F - powierzchnia przekroju cylindra pomiarowego, cm2
h1, h2 - początkowa i końcowa wysokość słupa wody w piezometrze, cm
t1, t2 - czas rozpoczęcia i zakończenia pomiaru odpowiadający wysokościom h1 i h2, s
Oznaczenia współczynnika filtracji gruntu Ks zostały kontynuowane w dniu 16.07.2023 r., w którym przeprowadzono dodatkowe laboratoryjne badania metodą stałego przepływu za pomocą przepuszczalnościomierza Wita. Pobrano kilkanaście próbek gleby z działki w Ożarowie, które zostały następnie przetransportowane do laboratorium, gdzie zostały zbadane w wielu powtórzeniach za pomocą zmodyfikowanego aparatu Wita. Schemat urządzenia:
[5]
Obliczenia współczynnika filtracji Ks na podstawie pomiarów dokonanych w zmodyfikowanym aparacie Wita wykonano zgodnie ze wzorem:
Gdzie:
Ks - współczynnik filtracji, metoda laboratoryjna, cmּ/s
L - długość próbki mierzona w kierunku przepływu wody, cm
A - powierzchnia przekroju poprzecznego próbki, cm2
q - ilość wody przesączającej się przez próbkę w jednostce czasu cm3/s
hw - strata wysokości hydraulicznej na długości L, cm
Jednym z rozwiązań Low Impact Development (LID) jest zastąpienie klasycznych nawierzchni chodników z kostki brukowej czy podjazdów z płyt betonowych nawierzchniami wykonanymi z betonu wodoprzepuszczalnego. Przewodność hydrauliczną takiego materiału przyjęto na podstawie badań przeprowadzonych zgodnie z amerykańską normą ASTM C1701 [6] z roku 2019 [7]. Miejscem wykonania oznaczeń było wejście do budynku Administracji znajdującego się na terenie kampusu Politechniki Lubelskiej, gdzie na trzech stanowiskach oddalonych od siebie o ok. 1 m umiejscowiono pierścienie infiltracyjne o średnicy 300 mm oraz wysokości 100 mm. Pierścienie zostały przytwierdzone do podłoża masą uszczelniającą, a następnie zalane dwukrotnie wodą o masie 3,6 kg. Pierwsze zalanie wykonywane jest w celu wstępnego zwilżenia nawierzchni (tzw. Prewetting), drugie zaś stanowiło właściwe oznaczenie, podczas którego mierzony był czas, w jakim woda infiltrowała przez materiał porowaty. Infiltrację chodnika wykonanego z betonu wodoprzepuszczalnego obliczono zgodnie ze wzorem:
Gdzie:
I - wskaźnik infiltracji, mm/h
K - współczynnik konwersji, (mm3∙s)/(kg∙h)
M - masa zinfiltrowanej wody, kg
D - wewnętrzna średnica pierścienia infiltracyjnego, mm
t - czas infiltracji wody przez powierzchnię, s
Sporządzenie hydrogramu odpływu wód powierzchniowych ze zlewni dla której zastosowano rozwiązania LID (zielone dachy, chodniki wodoprzepuszczalne, ogrody deszczowe oraz magazynowanie wody deszczowej) wymagało przeprowadzenia dla modelu spływu powierzchniowego serii symulacji opadowych o różnym czasie trwania oraz intensywności [8]. W tym celu wykorzystano dane opadowe, pochodzące ze stacji meteorologicznej znajdującej się na terenie kampusu Politechniki Lubelskiej, z okresu: wrzesień - grudzień 2023 r. Wybrano 2 daty, podczas których zarejestrowano charakterystyczne wydarzenia opadowe: 27-28.10.2023 r. oraz 31.10.2023 r. W celu określenia zdolności LID do redukcji odpływu wód opadowych w sytuacji gwałtownego deszczu, który mógłby spowodować zalanie terenu, zastosowano również teoretyczny model opadowy Chicago, dla którego założono datę 24.10.2023 r.
Dane dotyczące opadów:
Opad I (24.10.2023 r. 00:00 → 00:15)
t= 15 min, H= 15,93 mm, I= 1,062 mm/min, q= 177 dm3/(sha)
Opad II (27.10.2023 r. 16:25 → 28.10.2023 r. 03:30)
t= 665 min, H= 30 mm, I= 0,045 mm/min, q= 7,52 dm3/(sha)
Opad III (31.10.2023 r. 18:05 → 22:30):
t= 265,2 min, H= 11 mm, I= 0,041 mm/min, q= 6,91 dm3/(sha)
Czynnikiem decydującym o wielkości odpływu jednostkowego q jest również ewaporacja, która ma szczególnie krytyczne znaczenie w okresie letnim, podczas którego deficyty wody są dodatkowo pogłębiane przez sprzyjające warunki ewapotranspiracyjne. Uwzględnienie tego parametru podczas przeprowadzenia symulacji odpływu wody ze zlewni umożliwia dokładniejsze odtworzenie rzeczywistych warunków klimatycznych. W tym celu na terenie działki w Ożarowie umieszczono ewaporometr EWP-1010R firmy A-Ster do automatycznej rejestracji wartości parowania oraz temperatury o 10 minutowym odstępie, która prowadzona była w okresie wrzesień - grudzień. Wraz z ewaporometrem umieszczono deszczomierz z sumatorem opadów, regularnie prowadzone odczyty zmiany poziomu wody w urządzeniu służyły do określenia wysokości opadu w celu kalibracji danych rejestrowanych przez ewaporometr.
Autor artykułu: Joanna Czerpak
Projekt finansowany ze środków budżetu państwa, przyznanych przez Ministra Edukacji i Nauki w ramach Programu ,,Studenckie Koła Naukowe Tworzą Innowacje’’ -SKN/SN/570090/2023.
Literatura:
[1] Polskie Towarzystwo Gruntowe, Klasyfikacja uziarnienia gleb i utworów mineralnych, 2008 r.
[2] Rossman L.A., Simon M.A.: Storm Water Management Model User's Manual Version 5.2, United States Environmental Protection Agency, Washington, 2022 r.
[3] Iwanek M.: Badanie współczynnika filtracji gleb metodą polową i w laboratorium, Acta Agrophisica, s. 39-47, 2005 r.
[4] Zawadzki S., Olszta W.: Uproszczony sposób pomiaru współczynnika filtracji gleb za pomocą cylindra z piezometrem. Wiadomości IMUZ, t. XIV s. 195-202, 1981 r.
[5] Zawadzki S., Olszta W.: Zmodyfikowany aparat Wita do laboratoryjnego oznaczania przepuszczalności wodnej gleb. Wiadomości IMUZ, t. XIV z. 2, 187-194, 1981 r.
[6] ASTM C1701 Standard Test Method for Infiltration Rate of In Place Pervious Concrete.
[7] Bajko Kamil: Numeryczna ocena wpływu modelu opadu na hydrogram odpływu wód deszczowych z wybranej zlewni zurbanizowanej, praca magisterska, Politechnika Lubelska, 2019 r.
[8] Nowakowska M., Kotowski A.: Metodyka i zasady modelowania odwodnień terenów zurbanizowanych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2017 r.
Projekt finansowany ze środków budżetu państwa, przyznanych przez Ministra Edukacji i Nauki w ramach Programu ,,Studenckie Koła Naukowe Tworzą Innowacje’’ -SKN/SN/570090/2023.
Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego, Program Operacyjny Wiedza Edukacja Rozwój 2014-2020 "PL2022 - Zintegrowany Program Rozwoju Politechniki Lubelskiej" POWR.03.05.00-00-Z036/17