Kolektor przy ul. Tischnera w Krakowie – przykład rozwiązania zwiększającego odporność na zmiany klimatu

Konsekwencją pojawiających się coraz częściejdeszczy nawalnych jest występowanie lokalnych podtopień, zakłócanie pracy systemów kanalizacyjnych i oczyszczalni ścieków oraz przekraczanie dopuszczalnej liczby zrzutów ścieków i wód opadowych przez przelewy burzowe, a więc zanieczyszczanie rzek.Deszcze nawalne przynoszą katastrofalne zniszczenia w infrastrukturze miejskiej, np. po ulewach, które przeszły nad Krakowem w maju 2020 r., straty oszacowano na 170 mln zł.

Przystosowanie systemów odwodnienia do zmieniających się warunków klimatycznych polega na opóźnieniu odpływu (detencja) i przetrzymaniu wód opadowych (retencja), które mają kluczowe znaczenie dla zapobiegania lokalnym podtopieniom w przypadku wystąpienia powodzi błyskawicznych. W zakresie przetrzymania wód opadowych miasta uruchamiają duże retencje kanałowe, wprowadzają sterowanie kanałowe, budują dodatkowe zbiorniki pod ulicami, które opóźniają odpływ wód pochodzących z odwodnienia do odbiornika.

W 2023 r. opracowano Koncepcje odwodnienia wybranych obszarów Krakowa. Prace nad tym dokumentem jednostka miejska Klimat Energia Gospodarka Wodna rozpoczęła w 2020 r. po ulewach, które dotknęły Kraków. Dokument zawiera rozwiązania odwodnienia obszarów Krakowa, gdzie nie ma kanalizacji deszczowej albo jest niewystarczająca, takie jak m.in. budowa zbiorników retencyjnych przy ul. Udzieli w Bieżanowie, na os. Kabel, przy ulicach Burzowej i Folwarcznej, grodzic na wałach Serafy w Bieżanowie i Złocieniu, przepompowni na wysokie stany Wisły w Bodzowie, zwiększenie kanału potoku Sudół Dominikański na Prądniku Czerwonym. Koncepcja zagospodarowania wód opadowych i roztopowych dotyczy ok. 60% powierzchni Krakowa, a koszt realizowanych na jej podstawie inwestycji to aż 1,2 mld zł.

Wzrost presji na infrastrukturę kanalizacyjną

Odciążenie kanalizacji ogólnospławnej jest szczególnie ważne w przeciwdziałaniu ryzyku przeciążenia systemu kanalizacyjnego wskutek deszczy nawalnych i powstawania zalań ulic i posesji. „Wzrastająca liczba mieszkańców, intensywny rozwój urbanistyczny i zmiany klimatu prowadzą do wzrostu presji na infrastrukturę kanalizacyjną – stwierdza Marcin Łukaszewicz, dyrektor infrastruktury sieciowej w Wodociągach Miasta Krakowa SA (WMK SA). – Zarządzanie wodami opadowymi w Krakowie stanowi jedno z kluczowych wyzwań dla bezpieczeństwa miasta. System kanalizacji ogólnospławnej, który odprowadza ścieki bytowe i wody opadowe, zarówno w Krakowie, jak i innych dużych miastach europejskich jest przeciążony w momentach deszczy nawalnych”.

Należy pamiętać, że system kanalizacyjny Krakowa powstał na początku XX w. i mimo stałej rozbudowy sieci główne kolektory pozostają w swoich pierwotnych wymiarach. Wyremontowane w ostatnim 20-leciu dla poprawy wydajności hydraulicznej, w perspektywie zmian klimatu stają się niewydolne. Nowe przyłącza do kręgosłupa sieci, czyli kanałów zlokalizowanych wzdłuż Wisły (40,5 km na terenie miasta) i jej głównych dopływów na odcinku krakowskim: Rudawy (5,1 km), Dłubni (8,5 km ze zbiornikiem w Zesławicach), Prądnika (Białuchy, 8,7 km), Wilgi (14,9 km), były bilansowane ponad 100 lat temu. Również metodyka wymiarowania kolektorów opierała się w tamtym czasie na obserwacjach opadów z pluwiografów obarczonych znacznym ryzykiem błędu.

Kolektory ogólnospławne znajdują się głównie na obszarach o znaczeniu historycznym, stąd ich przebudowa zmierzająca do znacznego zwiększenia rozmiaru lub rozdziału na kanalizację sanitarną i deszczową jest niemożliwa lub niezwykle kosztowna, co utrudnia rozwiązanie problemu niewystarczającej wydajności układu sieci kanalizacyjnej. Problem ten komplikuje się tym bardziej, gdy weźmie się pod uwagę konieczność ograniczenia krotności zrzutów z przelewów burzowych.

Nie uwzględniając zbiorników retencyjnych w wewnętrznych instalacjach kanalizacyjnych oraz przyłączy, długość sieci kanalizacyjnej w Krakowie to ponad 1750 km, w tym 700 km kanalizacji ogólnospławnej, natomiast jej możliwości retencyjne wynoszą ponad 520 tys. m³. Mimo dużej, choć wciąż niewystarczającej retencji kanałowej wynikającej z wymiarów głównych kolektorów (średnice przekraczają nierzadko 3–4 m) oraz instalacji przelewów burzowych, w wielu miejscach sieci kanalizacyjnej podczas deszczy nawalnych występują przeciążenia, a nawet wylania. „Ograniczenie oddziaływania kanalizacji ogólnospławnej na środowisko przy jednoczesnym zachowaniu jej właściwego działania wymaga podjęcia szeroko zakrojonych działań. Działania te powinny skupić się zarówno na realizacji kolektorów odciążeniowych, jak i na budowie obiektów retencyjnych zlokalizowanych na kanalizacji ogólnospławnej oraz w ramach retencji na miejscu przy realizacji nowej zabudowy i obiektów infrastruktury drogowej, co leży w gestii inwestorów oraz miasta. Realizacja obiektów retencyjnych jest niezwykle ważna, gdyż w przypadku budowy jedynie kolektorów odciążających i modernizacji przelewów problem przeciążenia kanalizacji tylko przesuwałby się w dół zlewni z każdą kolejną inwestycją” – podkreśla dyrektor Łukaszewicz.

Potencjał retencyjny kanalizacji

Oprócz wyremontowania wszystkich głównych kolektorów ściekowych wzdłuż rzek, o czym wspomniano wyżej, ważnym krokiem w kierunku zwiększenia potencjału retencyjnego sieci kanalizacyjnej była budowa kolektora dolnej terasy Wisły. Umożliwiła ona połączenie zlewni obu centralnych oczyszczalni, Płaszów i Kujawy, dzięki czemu można przekierowywać ścieki z jednej zlewni do drugiej. W 2021 r. przystąpiono do sukcesywnej modernizacji 38 przelewów burzowych. Przelewy są wyposażane m.in. w urządzenia piętrzące ograniczające zrzuty z kanalizacji ogólnospławnej, urządzenia podczyszczające przed wylotem oraz system monitoringu.

Wodociągi Miasta Krakowa SA jako pierwsze w Polsce opracowały modele hydrauliczne sieci kanalizacyjnej i wodociągowej ze 100-procentowym odzwierciedleniem stanu istniejącego (wszystkie dane z GIS-u zostały przeniesione do obu modeli). Zbudowano też sieć 32 deszczomierzy zlokalizowanych w obiektach spółki, które pokryły całą zlewnię kanalizacyjną Krakowa, notabene IMGW czerpie dane z tych deszczomierzy do własnych prognoz. Modelowanie służy temu, aby w sposób odpowiedzialny rozwijać sieć i nią zarządzać. Zbudowany model jest zintegrowany z szeregiem urządzeń pomiarowych na sieciach wodociągowej i kanalizacyjnej, siecią deszczomierzy, danymi z systemu billingowego, co daje możliwość oceny pracy sieci w czasie rzeczywistym. Dodatkowo istnieje możliwość podłączenia modelu prognostycznego pogody, co w połączeniu z bieżącymi informacjami na temat stanu sieci kanalizacyjnej umożliwia reakcję wyprzedzającą wystąpienie wylania z sieci kanalizacyjnej. Przy opadach nawalnych można wysłać tam służby, powiadomić mieszkańców o potencjalnym zagrożeniu. O przydatności modelowania świadczy fakt, że po wykonaniu przez WMK SA modelu zlewni Tauron Areny, która była podtapiana w czasie deszczy nawalnych, i na bazie wniosków z modelowania zbudowaniu polderów zalewowych, podtopienia ustały. 

Prowadzone są również projekty małej retencji, co odciąża system kanalizacyjny i zapobiega nadmiernemu wykorzystywaniu wody wodociągowej, np. do podlewania ogródków. Dzięki temu występują mniejsze wahania ciśnień i przepływów, co przekłada się bezpośrednio na mniejszą liczbę awarii wodociągowych, ograniczając koszty. W obszarze kanalizacji ogólnospławnej Kraków ma duży potencjał retencyjny, stąd też podejmowane są działania służące do wykorzystania tego potencjału, jak m.in. ruchome korony przelewów burzowych, modelowanie, tak aby jak najmniej wód opadowych zrzucać przez przelewy burzowe do odbiorników.

Podstawę do dalszych działań stanowi Masterplan retencji dla systemu ogólnospławnego na terenie miasta Krakowa, opracowywany w WMK SA (ma zostać ukończony w pierwszym kwartale 2025 r.). Dokument ten określa cele i strategie retencjonowania wód opadowych, które pozwolą na odciążenie systemu kanalizacyjnego, czyli zmniejszenie obciążenia hydraulicznego sieci kanalizacji ogólnospławnej. Efektem ma być redukcja wylewów, zapobieganie oraz ograniczanie występowania lokalnych podtopień i zalewisk, szczególnie na obszarach o niskiej retencji naturalnej, a także ograniczenie zrzutów przez przelewy burzowe, a więc zmniejszenie ilości zanieczyszczeń odprowadzanych do środowiska wodnego.

Masterplan retencji bazuje na szczegółowej analizie systemu kanalizacji ogólnospławnej w Krakowie, uwzględniając takie czynniki, jak charakterystyka opadów (rozkład czasowy i przestrzenny opadów atmosferycznych, intensywność opadów i częstotliwość występowania ekstremalnych zjawisk pogodowych), pojemność retencyjna zlewni (naturalna zdolność terenu do zatrzymywania wód opadowych, wpływ istniejących zbiorników retencyjnych i urządzeń retencyjnych), stan techniczny sieci kanalizacyjnej (pojemność sieci kanalizacyjnej, stan techniczny przewodów i urządzeń kanalizacyjnych, lokalizacja punktów krytycznych).

Masterplan wskazuje szereg działań inwestycyjnych i nieinwestycyjnych, które umożliwią osiągnięcie założonych celów. Działania te obejmują m.in. budowę nowych zbiorników retencyjnych o różnej skali i funkcji oraz ich dostosowanie do lokalnych warunków, modernizację sieci kanalizacyjnej przez zwiększenie pojemności sieci, wymianę starych i zużytych przewodów, budowę nowych kolektorów, instalowanie systemów małej retencji na budynkach i terenach zielonych, promocję zrównoważonego zagospodarowania wód opadowych przez edukację i kampanie informacyjne dotyczące racjonalnego gospodarowania wodą deszczową.

Budowa kolektora retencyjnego przy ul. Tischnera o przekroju ponad 3 m

Jednym z zadań wskazanych w Masterplanie retencji dla kolektora prawobrzeżnego Wilgi (w skrócie PWg) jest realizowana obecnie (etap pierwszy został ukończony, etap drugi jest w trakcie projektowania) budowa kolektora / zbiornika retencyjnego, którego bezpośrednim odbiornikiem jest przelew burzowy PW6 przy ul. Brożka. Głównym zadaniem kolektora / zbiornika retencyjnego będzie przetrzymanie mieszaniny wód opadowych i ścieków, które zbierają się podczas deszczy nawalnych w zlewni Bonarki i ulicach przyległych do ul. Tischnera, przed jej zrzutem z przelewu burzowego do Wilgi, a następnie odprowadzenie do oczyszczalni Płaszów. Ciekawostką techniczną jest, że nowo budowany kolektor ma ponad czterokrotnie większą objętość retencyjną niż dotychczasowy 800/1200, zbudowany w latach 70. XX w.

Średnica kolektora została obliczona metodą symulacji hydrodynamicznej zlewni. W ramach pierwszego etapu inwestycji zbudowano sieć kanalizacji ogólnospławnej: z prefabrykowanych rur żelbetowych o przekroju jajowym 800/1200 – odcinek o długości 24,3 m, rur żelbetowych DN 1000 – odcinek 2,5 m, DN 3200 – odcinek 91,05 m i DN 1200 – odcinek 26,7 m oraz rur betonowych DN 500, a także zlikwidowano (częściowy demontaż, częściowe umartwienie) istniejący kolektor, który kolidował z planowaną inwestycją deweloperską.

W stanie dotychczasowym obserwowane były wysokie wypełnienia w czasie opadów w kolektorze ogólnospławnym 900/1350, który jest odbiornikiem dla nowo budowanego przy ul. Brożka. Przebudowywany kolektor na terenie inwestycji realizowanej przez dewelopera prowadzi ścieki oraz wody opadowe m.in. z terenów PKP SA, Centrum Handlowego Bonarka oraz odwodnienia ul. Turowicza w ilości 1300 l/s przy przepływie swobodnym(C = 5 lat, t = 15 min, model krakowski, hietogram III),costanowi ok. 40% przepływu w kolektorze przy ul. Brożka. Z tego względu zdecydowano się na ograniczenie odpływu w czasie opadów z tego obszaru przez regulację przepływu. Regulator przepływu został dobrany tak, aby osiągnął limit zrzutu na rzędnej spiętrzenia równej rzędnej terenu w miejscu posadowienia regulatora lub najniższego punktu odbioru wód opadowych, ale wyłącznie w układzie grawitacyjnym. Regulatorem jest zasuwa nożowa sterowana hydraulicznie. Docelowy limit odprowadzania wód opadowych ustalono na poziomie q_lim = 450 l/s. Pozwala to ograniczyć przepływ na omawianym odcinku o ponad połowę (z wartości wyjściowej ok. q = 1000 l/s dla deszczu syntetycznego, C = 5 lat, t = 15 min, model krakowski, hietogram III). Takie działanie w konsekwencji umożliwi ograniczenie przepływu przy ul. Brożka.

Powstający kolektor / zbiornik retencyjny przy ul. Tischnera jest jednym z pierwszych sieciowych obiektów retencyjnych ograniczających przepływ w zlewni przelewu PW6. Sterowanie pojemnością retencyjną przez regulację odpływu ze zbiornika po oddaniu całości inwestycji będzie odbywać się następująco:

• w stanie bezdeszczowym zasuwa w zbiorniku będzie pozostawać otwarta (podniesiona);
• w przypadku, w którym w zbiorniku osiągnięto by rzędną maksymalnego piętrzenia, zasuwa na wylocie zostanie w pełni opuszczona i pozostanie w takiej pozycji aż do osiągnięcia w zbiorniku rzędnej poziomu ścieków o 0,50 m poniżej maksimum, po czym zasuwa w komorze zostanie całkowicie podniesiona;
• w przypadku, gdy poziom ścieków w ciągu kolektora PWg, na którym zbudowany jest przelew burzowy PW6 (lub awaryjnie na czujniku w komorze wylotowej ze zbiornika), wyniesie więcej niż 0,80 m ponad dno kolektora PWg lub mniej niż 0,80 m, ale będzie wyższy niż poziom w zbiorniku, zasuwa na wylocie ze zbiornika pozostanie zamknięta;
• w przypadku, w którym poziom ścieków w zbiorniku będzie wyższy niż poziom ścieków w ciągu kolektora PWg (lub awaryjnie na czujniku w komorze wylotowej ze zbiornika) i jednocześnie poziom ścieków w kolektorze PWg będzie poniżej 0,80 m ponad dno kolektora, zasuwa na wylocie ze zbiornika odczeka ustaloną wartość czasu i rozpocznie podnoszenie, starając się, aby poziom ścieków w kolektorze nie przekroczył rzędnej krytycznej; jeżeli dodatkowy zrzut ze zbiornika spowoduje podtopienie kolektora PWg na więcej niż 0,80 m, zasuwa ponownie się przymknie. Zasuwa ma płynnie przymykać się i otwierać o kilka procent, starając się kontynuować zrzut ze zbiornika przy jednoczesnym zachowaniu w kolektorze PWg poziomu ścieków nieprzekraczającego 0,80 m (ewentualnie możliwe jest sterowanie typu: h < 0,65 m – uchylanie zasuwy, h > 0,75 m – przymykanie zasuwy).

Rury są zabezpieczone wewnętrznie na całym obwodzie wykładziną PE-HD o grubości min. 4 mm, wbudowaną w trakcie prefabrykacji. Minimalna siła zespojenia wkładki PE-HD z betonem rury wynosi ≥ 710 kN/m². Szczelność połączeń rur jest zapewniona przy ciśnieniu 1 b. Użyto betonu o minimalnej klasie wytrzymałości na ściskanie ≥ C40/50, wskaźniku w/c dla
betonu ≤ 0,45, odporności na działanie SO₄^2- w wodzie > 3000 i ≤ 6000 mg/l, klasie ekspozycji XA3; rura DN 3200 to konstrukcja monolityczna odlewana w formie stalowej w jednym procesie w zakładzie prefabrykacji. Montaż rur oraz trwałe łączenie wykładziny PE-HD (zgrzewanie dla zapewnienia jej ciągłości) mają zapewnić pełną szczelność kolektora retencyjnego oraz ze względu na możliwość stagnowania osadów zabezpieczyć kolektor przed korozją. Dodatkowo zastosowanie zespolonych rur betonowych wpływa na poprawę hydrauliki pracy kolektora retencyjnego.

Ze względu na szczelność systemu kanalizacji ogólnospławnej komory i studnie zostały wykonane w systemie producenta rur. Podstawy studni oraz rury pod studniami zabezpieczono wykładziną PE-HD, analogicznie jak rury DN 3200. Pozostałe elementy betonowe i żelbetowe komór i studni wyprodukowano z betonu klasy min. C35/45, o wytrzymałości na ściskanie nie mniejszej niż 40 MPa, klasie ekspozycji min. XA3, wskaźniku w/c dla betonu ≤ 0,45, nasiąkliwości nie wyższej niż 5%, wodoszczelności W8. Elementy betonowe wykonano z betonu samozagęszczalnego SCC lub betonu wibrowanego. Kinetę wraz ze spocznikami, ściany i strop komór zabezpieczono wykładziną bazaltową za pomocą płytek radialnych z topionego bazaltu o grubości min. 20 mm na specjalnych klejach produkowanych i zalecanych przez producenta płytek.

Na całej długości rury kanalizacyjne były montowane w wykopie otwartym wąskoprzestrzennym, odwodnionym i umocnionym. Etap pierwszy został wykonany w nowym śladzie. Praktycznie cały jego zakres zrealizowano przy utrzymanej pracy istniejącego kolektora. Jedynie w trakcie realizacji odcinka P1–K1 i komory K4 konieczne było ciągłe przepompowanie ścieków. Należało przy tym zwrócić szczególną uwagę na możliwość pojawienia się w kanale ogólnospławnym dodatkowej ilości wód opadowych. Z tego względu roboty zaplanowano w okresie bezdeszczowym, a szczególnie dotyczyło to zakresu prac związanych z realizacją odcinka P1–K1 i komory K4. Transfer ścieków wymagał dodatkowych czynności montażu przegrody pneumatycznej w studniach D i ID174664, separatora cząstek stałych na liniach ssących przed układem pompowym, kontenerowych pomp spalinowych do ścieków surowych (dwie pompy), a także ułożenia rurociągów na potrzeby transferu ścieków.

W skład wyposażenia układu regulacji wchodzi zasuwa nożowa ze stali nierdzewnej klasy min. 1.4301 (AISI 304) z napędem elektryczno-hydraulicznym, systemem regulacji przesłony 15–100% oraz możliwością awaryjnej pracy mechanicznej bez napędu. W docelowym rozwiązaniu (po realizacji wszystkich etapów inwestycji, tzn. po osiągnięciu wymaganej pojemności retencyjnej) limit zrzutu, a tym samym nominalny odpływ regulowany przez zasuwę, będzie wynosić 450 l/s. Eksploatator będzie miał możliwość dowolnej regulacji wartości odpływu przez zasuwę w funkcji krzywej przepływ – wysokość / procent otwarcia zasuwy, w powiązaniu ze wskazaniem napełnienia w zbiorniku i w kanale odpływowym. System będzie współdziałać z nadrzędnym systemem sterowania WMK SA.

Do pracy napędu zostanie użyty agregat hydrauliczny. Jako uzupełnienie systemu sterowania będą zamontowane dwa radarowe czujniki poziomu ścieków (w zbiorniku oraz na kanale odpływowym). Automatyczną jednostkę sterującą dostarczy producent zastawki wraz ze sterownikiem, panelem dotykowym oraz modemem do komunikacji.

Budowany zbiornik retencyjny umożliwi gromadzenie wód opadowych w czasie intensywnych opadów deszczu, jednocześnie przyspieszając w stosunku do stanu istniejącego przepływ ścieków przy pogodzie bezdeszczowej. W tablicy 1 zestawiono wymiary, długości i objętości kanału poddanego likwidacji oraz realizowanego.

Traktując priorytetowo ograniczanie oddziaływania kanalizacji ogólnospławnej na środowisko, WMK SA planują dalsze działania zmierzające do poprawy sytuacji hydraulicznej w zlewni przelewu PW6. Prócz omawianego kolektora / zbiornika retencyjnego w zamierzeniach jest również ograniczenie dopływu wód opadowych do sieci kanalizacji ogólnospławnej z dróg (wiadukt w ciągu ul. Tischnera i rondo wraz z drogami dolotowymi) oraz wód nadmiarowych ze stawów po eksploatacji cegielni Bonarka przez regulację przepływu w wysokości q_lim = 32,2 l/s oraz budowę zbiornika retencyjnego (min. V = 500 m³). Jest to na razie zadanie przyszłościowe.

https://wodociagi.krakow.pl/