Identyfikacja spływu wód opadowych w projektach infrastruktury liniowej

Projekt odwodnienia wymaga określenia wielkości dopływu wód opadowych do systemu odwodnienia. Podstawą obliczeń jest analiza zlewni. Jej wyniki wyznaczają przepływy obliczeniowe wykorzystywane przy projektowaniu przepustów, rowów drogowych oraz urządzeń retencyjnych.

W projektach realizowanych przez HydroBIM analiza zlewni stanowi jeden z pierwszych etapów pracy nad odwodnieniem inwestycji liniowej. Do określenia dopływu wód do projektowanych urządzeń wykorzystujemy numeryczne modele terenu, dane hydrologiczne oraz modele hydrologiczne i hydrauliczne.

Znaczenie analizy zlewni w projektach infrastruktury liniowej

Wody opadowe spływają z obszaru zlewni do najniższych punktów terenu, a powierzchnia zlewni oraz sposób zagospodarowania określają wielkość odpływu, na podstawie której dobierane są parametry urządzeń odwodnienia. Projektowana droga lub linia kolejowa zmienia istniejący układ hydrologiczny poprzez wprowadzenie nasypów, wykopów oraz nowych elementów odwodnienia, co wymaga uwzględnienia tych przekształceń w analizie zlewni.

Inwestycje liniowe przecinają naturalne działy wodne oraz zmieniają lokalne kierunki spływu wód. Nasypy i wykopy wpływają na układ odpływu w terenie, dlatego projekt odwodnienia wymaga analizy całej zlewni dopływającej do inwestycji.

Dane wejściowe do analizy zlewni

Analiza rozpoczyna się od zebrania danych opisujących teren oraz warunki hydrologiczne. Ich jakość decyduje o wiarygodności wyników obliczeń.

W projektach HydroBIM wykorzystywane są przede wszystkim:

• numeryczny model terenu,
• dane topograficzne i ortofotomapy,
• informacje o użytkowaniu terenu,
• dane o istniejących ciekach i rowach,
• charakterystyka opadów miarodajnych.

Numeryczny model terenu pozwala określić kierunki spływu wód powierzchniowych oraz przebieg działów wodnych. Dane o zagospodarowaniu terenu służą do określenia parametrów hydrologicznych zlewni.

Wytyczne rekomendowane przez Ministra Infrastruktury w dniu 28 listopada 2023 r. (WR-D-71) wskazują na potrzebę stosowania aktualnych modeli opadowych oraz indywidualnego doboru prawdopodobieństwa deszczu miarodajnego w zależności od funkcji infrastruktury.

Identyfikacja zlewni w modelu terenu

Kolejnym etapem jest wyznaczenie zlewni dopływającej do projektowanego elementu odwodnienia, najczęściej przepustu lub rowu.

Analiza obejmuje:

• wyznaczenie działów wodnych,
• określenie kierunków spływu powierzchniowego,
• identyfikację dolin i obniżeń terenu,
• wskazanie punktów koncentracji odpływu.

W projektach drogowych istotne znaczenie ma analiza obszarów położonych poza pasem drogowym. Zlewnia dopływająca do systemu rowów przydrożnych lub przepustów często obejmuje teren znacznie większy niż sama inwestycja.

Narzędzia analityczne wykorzystywane w HydroBIM

Analiza zlewni prowadzona przez HydroBIM opiera się na narzędziach GIS oraz oprogramowaniu do modelowania hydrologicznego i hydraulicznego.

W pracy wykorzystywane są między innymi:

• systemy GIS do analizy numerycznego modelu terenu,
• narzędzia hydrologiczne w środowisku GIS,
• SCALGO do identyfikacji zlewni i kierunków spływu,
• HEC-HMS do modelowania hydrologicznego zlewni,
• HEC-RAS do analiz hydraulicznych cieków i przepustów.

Systemy GIS służą do wyznaczenia granic zlewni oraz analizy topografii terenu. Na tej podstawie budowany jest model hydrologiczny zlewni.

Model HEC-HMS pozwala określić reakcję zlewni na opad miarodajny i wyznaczyć hydrogram odpływu. Wyniki stanowią dane wejściowe do analiz hydraulicznych.

Model HEC-RAS umożliwia ocenę warunków przepływu w ciekach oraz w obrębie obiektów hydrotechnicznych.

HydroBIM prowadzi analizę zlewni w zintegrowanym środowisku GIS–model hydrologiczny–model hydrauliczny, co ogranicza mozliwośc błędów wynikających z transformacji danych i zwiększa wiarygodność przepływów obliczeniowych.

W projektach wymagających koordynacji międzybranżowej wyniki analiz integrujemy z modelem projektowym w środowisku BIM.

Wyznaczenie parametrów hydrologicznych zlewni

Po określeniu granic zlewni zespół HydroBIM wyznacza jej podstawowe parametry hydrologiczne.

Najważniejsze z nich to:

• powierzchnia zlewni,
• długość drogi spływu,
• spadek terenu,
• współczynnik spływu,
• czas koncentracji.

Parametry te opisują sposób reakcji zlewni na opad i stanowią dane wejściowe do modelu hydrologicznego.

Modelowanie odpływu ze zlewni

Model hydrologiczny umożliwia określenie wielkości dopływu wód opadowych do analizowanego punktu odwodnienia.

Model uwzględnia parametry opadu, charakterystykę zlewni oraz procesy retencji i infiltracji. Wynikiem obliczeń jest hydrogram odpływu oraz maksymalny przepływ obliczeniowy.

Parametr ten stanowi podstawę wymiarowania elementów systemu odwodnienia.

Wykorzystanie wyników analizy w projektach HydroBIM

Wyznaczony przepływ obliczeniowy jest podstawą doboru elementów systemu odwodnienia.

W projektach HydroBIM na tej podstawie określane są:

• średnice przepustów,
• przekroje rowów drogowych,
• parametry urządzeń retencyjnych,
• warunki włączenia odpływu do odbiornika.

W przypadku cieków naturalnych wykonujemy dodatkową analizę hydrauliczną w modelu HEC-RAS. Model pozwala ocenić warunki przepływu w odbiorniku oraz wpływ inwestycji na poziomy wody i przepustowość koryta.

O HydroBIM