Kiedy potrzebny jest model hydrauliczny 2D?

W internecie można dziś kupić automatyczny raport o działce za około 200 zł. Taki raport w kilka minut zbiera dane z ogólnodostępnych źródeł i pozwala sprawdzić podstawowe informacje o terenie. Przy wstępnej selekcji działki może być zupełnie wystarczający.

Jednak gdy trzeba odpowiedzieć na konkretne pytania projektowe – ile wody rzeczywiście dopłynie na teren, którędy popłynie po wykonaniu projektowanej niwelety, czy zatrzyma się przed nasypem, czy przepust przejmie cały przepływ i jaką głębokość osiągnie przy budynku albo drodze – potrzebna jest już analiza konkretnej działki i konkretnego projektu.

Co można sprawdzić bez modelu 2D?

Pierwszy etap analizy hydrologicznej wykonujemy na podstawie numerycznego modelu terenu, ortofotomapy i dostępnych danych przestrzennych.

W QGIS i SCALGO wyznaczamy zlewnie, naturalne drogi spływu, lokalne obniżenia terenu oraz miejsca, w których odpływ może się koncentrować. Możemy również sprawdzić, czy projektowana droga, budynek albo nasyp przecinają istniejącą drogę przepływu.

Dla wielu działek taka analiza daje wystarczającą odpowiedź na etapie zakupu terenu albo pierwszego masterplanu.

Jeżeli działka ma wyraźny spadek, odpływ odbywa się w jednym kierunku, na terenie nie występują większe zagłębienia, a projekt nie przecina istotnych dróg spływu, budowa modelu hydraulicznego 2D zwykle nie da nam informacji o istotności proporcjonalnej do nakładu pracy.

Inaczej, gdy teren położony jest w lokalnym obniżeniu, przecięty rowami, drogami i nasypami albo przyjmujący spływ z większej zlewni. W takim przypadku screening wskazuje problem, ale jego skala dalej pozostaje niewiadomą.

Kiedy sama hydrologia przestaje wystarczać?

Model hydrologiczny odpowiada przede wszystkim na pytanie, ile wody pojawi się w analizowanym miejscu i jak ten przepływ będzie zmieniał się w czasie.

Załóżmy, że obliczenia w HEC-HMS wskazują przepływ maksymalny 1,5 m³/s. Ta wartość jest bardzo ważna, ale nie mówi jeszcze, jak te 1,5 m³/s zachowa się na konkretnym terenie.

Jeżeli woda płynie wyraźnie ukształtowanym korytem, analizę można prowadzić w modelu jednowymiarowym. Na działkach inwestycyjnych układ często jest bardziej skomplikowany. Woda może rozlewać się po szerokiej powierzchni, omijać przeszkody, dzielić na kilka strug, gromadzić w zagłębieniach i zmieniać kierunek przepływu wraz ze wzrostem głębokości.

Do tego dochodzą przepusty, nasypy drogowe, budynki oraz projektowana niweleta.

W takiej sytuacji potrzebujemy informacji o rozkładzie przepływu na całej powierzchni terenu, a nie wyłącznie jednej wartości przepływu w wybranym przekroju.

Kiedy potrzebny jest model 2D?

Model hydrauliczny 2D jest uzasadniony przede wszystkim tam, gdzie woda ma kilka możliwych dróg przepływu albo jej zachowanie zależy od lokalnej rzeźby terenu.

Dobrym przykładem jest szerokie obniżenie przebiegające przez teren planowanej inwestycji. Przy mniejszych opadach woda może pozostać w jego najniższej części. Przy większym przepływie szerokość zalania rośnie, woda zaczyna omijać lokalne wyniesienia i może znaleźć kolejną drogę odpływu.

Podobna sytuacja występuje przy drodze prowadzonej na nasypie. Jeżeli nasyp przecina naturalny kierunek spływu, trzeba sprawdzić, ile wody zatrzyma się przed drogą, jak wysoko podniesie się zwierciadło i czy przepust przejmie cały przepływ.

Model 2D jest również potrzebny, gdy projektowana zabudowa znajduje się na drodze spływu albo gdy zmiana niwelety istotnie przebudowuje istniejący układ terenu.

Przy deszczach nawalnych i lokalnych podtopieniach takie sytuacje pojawiają się szczególnie często, ponieważ intensywny spływ powierzchniowy wykorzystuje lokalne obniżenia i drogi odpływu, które przy normalnych warunkach pozostają suche.

Co pokazuje model hydrauliczny 2D?

Załóżmy, że na analizowany teren dopływa wspomniane 1,5 m³/s.

Sama wartość przepływu nie mówi projektantowi, czy problem dotyczy pasa terenu szerokiego na pięć metrów, czy całego obniżenia o szerokości kilkudziesięciu metrów. Nie wiadomo też, czy woda osiągnie głębokość 10 cm, czy 60 cm.

Model hydrauliczny 2D pozwala określić zasięg zalania, głębokość wody, rzędną zwierciadła oraz prędkość i kierunek przepływu w poszczególnych częściach analizowanego terenu.

Różnica pomiędzy 10 cm wody na terenie zielonym a 60 cm przy wjeździe do garażu podziemnego jest zasadnicza dla projektu, nawet jeżeli w obu przypadkach punktem wyjścia jest ten sam przepływ 1,5 m³/s.

Podobnie wygląda sytuacja przy drodze. Jeżeli przed nasypem model wskazuje spiętrzenie do rzędnej wyższej od projektowanej niwelety, problem jest już opisany konkretną wartością. Projektant może wtedy zmienić rzędną drogi, zwiększyć przepust albo poszukać innego sposobu przeprowadzenia wody.

Jak projekt zmienia wynik modelu?

Model hydrauliczny można przygotować dla stanu istniejącego i projektowanego.

W pierwszym wariancie wykorzystujemy aktualne ukształtowanie terenu, istniejące drogi, rowy, przepusty i zabudowę. W drugim wprowadzamy projektowaną niweletę, drogi, budynki, nasypy oraz planowane elementy odwodnienia.

Porównanie obu wariantów pozwala sprawdzić, jak projekt zmienia zasięg podtopień, głębokości wody, kierunki przepływu i miejsca spiętrzeń.

Załóżmy, że przed inwestycją woda przechodzi przez niezabudowany teren szerokim obniżeniem. Po wykonaniu drogi na nasypie naturalna droga przepływu zostaje przecięta. Model dla stanu projektowanego może wykazać, że przed drogą powstaje rozlewisko o głębokości 40 cm, a część wody kieruje się w stronę sąsiedniej działki.

Wtedy dokładnie wiadomo, który element koncepcji zmienił warunki odpływu i jak duża jest zmiana.

Taki sposób analizy uzupełnia obliczenia opisane w artykule „Jak inwestycja zmienia odpływ na działce?”. Dane hydrologiczne określają zmianę przepływu, a model hydrauliczny pokazuje, gdzie ten przepływ trafi i jakie będą jego skutki na terenie.

Czy model 2D służy tylko do sprawdzania podtopień?

Model 2D wykorzystujemy również przy ocenie projektowanej niwelety, przepustów, dróg, nasypów i systemów retencji.

Przy projektowanym zbiorniku sama poprawnie wyliczona pojemność nie gwarantuje jeszcze, że system zadziała. Trzeba sprawdzić, czy woda rzeczywiście dotrze do zbiornika i co wydarzy się po przekroczeniu jego pojemności.

Jeżeli przelew awaryjny odprowadzi wodę w stronę parkingu, budynku albo sąsiedniej działki, informacja o poprawnie dobranych 1000 m³ retencji nie rozwiązuje problemu.

Model pozwala prześledzić taki scenariusz na projektowanej powierzchni terenu i określić zasięg, głębokość oraz kierunek przepływu.

Podobnie możemy porównać dwa warianty masterplanu. Jeżeli w jednym układzie droga przecina główną trasę odpływu i powoduje spiętrzenie, a w drugim pozostawia dla wody bezpieczne przejście, różnica staje się czytelna jeszcze przed rozwinięciem projektu w kolejnych branżach.

Jak wykorzystać wyniki modelu 2D w projekcie?

Wynikiem modelowania są mapy zasięgu zalania, głębokości i prędkości przepływu, rzędne zwierciadła wody oraz przebieg głównych dróg odpływu.

Jeżeli analizujemy stan istniejący i projektowany, projektant otrzymuje również bezpośrednie porównanie obu wariantów. Można wtedy wskazać, gdzie projektowana niweleta zwiększa głębokość wody, gdzie droga powoduje spiętrzenie, który przepust ogranicza przepływ oraz czy zabudowa znajduje się na trasie odpływu.

Na tej podstawie można zmienić rzędne, przesunąć obiekt, zwiększyć przepust, skorygować układ drogi albo zmienić sposób prowadzenia wody.

Model hydrauliczny 2D jest potrzebny wtedy, gdy decyzja projektowa zależy już od tego, gdzie woda popłynie, jak głęboka będzie i jak zachowa się po zetknięciu z projektowanym układem terenu.

Jeżeli chcesz sprawdzić, czy dla konkretnej działki wystarczy screening, czy potrzebny będzie model hydrauliczny 2D, zakres obliczeń możemy dobrać w ramach analizy hydrologicznej działki inwestycyjnej.

Konsultacja merytoryczna: mgr inż. Wojciech Korona