Program SWMM

Większość systemów odwodnień terenów w Polsce została zaprojektowana na podstawie modelu opadów Błaszczyka z 1954 r., opracowanego na podstawie opadów zarejestrowanych w Warszawie na przełomie XX i XIX wieku, [1]. Obecnie jednak zaobserwować można częste wylania z tak zaprojektowanych kanałów w związku z występowaniem deszczy o natężeniach wartości większych niż przyjęte zgodnie z tą metodyką. Ma to związek ze zmianami klimatu, zwiększona cyrkulacja wody w cyklu hydrologicznym, spowodowana wzrostem średniej rocznej temperatury powierzchni Ziemi, powoduje nasilenie się ekstremalnych zjawisk pogodowych: powodzie, susze, trąby powietrzne. Stąd do celów weryfikacji przepustowości sieci kanalizacji deszczowej w sytuacji nawalnych deszczów o różnym czasie trwania oraz intensywności zastosowano program Storm Water Management Model Amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (US EPA SWMM), służący do hydrodynamicznego modelowania spływu powierzchniowego dla danego terenu oraz funkcjonowania kanalizacji deszczowej i urządzeń zagospodarowania wody deszczowej. Zastosowanie skalibrowanych modeli symulacyjnych umożliwia zapewnienie standardów odwodnienia terenów zurbanizowanych dla różnych warunków klimatycznych, charakteryzujących się opadami zmiennymi w czasie oraz przestrzeni.

Obliczenia wykonywane w programie SWMM można podzielić na etap hydrologiczny (wyznaczanie opadu efektywnego, wyznaczanie odpływu ze zlewni) oraz etap hydrauliczny (wyznaczanie przepływu w kanałach) [2]. W celu realizacji części hydrologicznej należy stworzyć numeryczny model spływu powierzchniowego, reprezentowanego przez zlewnię składającą się ze zlewni cząstkowych. Każda zlewnia cząstkowa musi zostać scharakteryzowana pod względem: powierzchni, szerokości hydraulicznej, spadku terenu, stopnia uszczelnienia, współczynnika szorstkości n oraz retencji powierzchniowej. Na powierzchniach nieutwardzonych zachodzi infiltracja wg modelu Hortona, do których wykorzystano oznaczenia współczynnika infiltracji wykonane w ramach badań terenowych.

Tworzenie spływu wód opadowych obejmuje procesy takie jak: opad (deszcz lub śnieg), zwilżanie powierzchni, wypełnianie zagłębień terenu, parowanie oraz wsiąkanie w grunt. Część opadu, która nie przekształca się w spływ powierzchniowy, to tzw. straty. W związku z tymi czynnikami, opad efektywny zależy od: rodzaju i stopnia uszczelnienia powierzchni, nachylenia terenu, natężenia deszczu i czasu jego trwania, rodzaju gruntu, pokrycia terenu szatą roślinną, wilgotności i temperatury powietrza. Odpływ jest liczony oddzielnie dla każdej części zlewni o rożnym stopniu przepuszczalności (A₁- zlewnia nieutwardzona z retencją powierzchniową, A₂- zlewnia utwardzona z retencją, A₃- zlewnia utwardzona bez retencji) zgodnie z bilansem odpływu ze zlewni, a następnie sumowany.

[3]

W celu przeprowadzenia hydraulicznej części obliczeniowej w programie należy scharakteryzować kanały służące do odprowadzenia wody opadowej. Przewody posiadają zadane właściwości dotyczące: długości, średnicy, przekroju poprzecznego, współczynnika szorstkości n kanałów. Studzienki zaprojektowane na sieci zostały scharakteryzowane pod względem wysokości terenu w miejscu lokalizacji uzbrojenia oraz zagłębienia dna kanału. Program umożliwia graficzne przedstawienie chwilowego napełnienia kanału w przeprowadzanej symulacji na profilu podłużnym sieci kanalizacyjnej.

Efektem modelowania obiektów hydrologicznych (zlewnie cząstkowe) oraz hydraulicznych (sieć kanalizacji deszczowej) jest numeryczne odzwierciedlenie projektowanego osiedla jako zlewni na której przeprowadzone mogę być symulacje opadowe. Całkowita powierzchnia zlewni wynosi 9800 m², składa się z 83 zlewni cząstkowych oraz kanałów o łącznej długości wynoszącej 380 m.

Model deterministyczny wygenerowany w SWMM umożliwia określenie objętości spływu wód opadowych oraz maksymalnego oraz średniego strumienia wód opadowych przedstawionego w formie hydrogramu odpływu wód opadowych.

Przeprowadzono symulacje dla 3 opadów charakterystycznych. W celu oceny efektywności zastosowanych rozwiązań Low Impact Development porównano odpływ wód opadowych dla zlewni, w której zlewnie cząstkowe wykonano z typowych materiałów budownictwa urbanistycznego (dach z blachy falistej, chodniki i podjazdy z kostki brukowej), z wartościami odpływu wód deszczowych ze zlewni w których zastosowano zielone dachy, beton wodoprzepuszczalny oraz ogrody deszczowe.

Autor: 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] Kotowski A., Kaźmierczak B., Dancewicz A.: ,,Modelowanie opadów do wymiarowania kanalizacji’’, Polska Akademia Nauk, Warszawa 2010 r.

[2] Nowakowska M., Kotowski A.: Metodyka i zasady modelowania odwodnień terenów zurbanizowanych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2017 r.

[3] Kaźmierczak B., Nowakowska M.: ,,Hydrodynamiczny model odprowadzania wód opadowych SWMM’’, Politechnika Wrocławska.

^{Projekt finansowany ze środków budżetu państwa, przyznanych przez Ministra Edukacji i Nauki w ramach Programu ,,Studenckie Koła Naukowe Tworzą Innowacje’’ -SKN/SN/570090/2023.}