Przelew burzowy z rurą dławiącą

Jak działa przelew z rurą dławiącą

Przelew burzowy w kanalizacji ogólnospławnej dzieli dopływ Q_d na dwie części. Do oczyszczalni płynie Q_o, nie więcej, niż ona przyjmie. Nadmiar rozcieńczonych ścieków Q przelewa się przez krawędź do koryta bocznego i kanałem burzowym odpływa do odbiornika.

W przelewie konwencjonalnym za komorą zaczyna się zwykły kanał odpływowy. Gdy poziom w komorze rośnie, rośnie też przepływ do oczyszczalni. Rura dławiąca zmienia tę zależność. Jej długość dobiera się tak, żeby przy przepływie granicznym Q_gr woda w komorze dochodziła dokładnie do krawędzi. Opory rury rosną z kwadratem przepływu, więc gdy zwierciadło podnosi się ponad krawędź, przepływ do oczyszczalni rośnie już niewiele: od Q_gr do βQ_gr, przy β = 1,1–1,2.

Elementy

• Komora przelewowa. Do wysokości pach dno ma kształt kanału dopływowego, wyżej komora ma pionowe ściany w odstępie b = D (dla kanału jajowego 2H_k/3). Wzdłuż ściany biegnie krawędź o wysokości p i długości l_p, a za nią koryto boczne.
• Komora uspokajająca o długości co najmniej 2D wygasza zawirowania i fale przed wlotem do rury dławiącej.
• Rura dławiąca: średnica co najmniej 0,2 m, spadek co najmniej 1/d_r ‰, napełnienie przy Q_śc najwyżej 0,6 d_r, liczba Froude’a przy Q_gr mniejsza od 1. Dno na wlocie obniża się o Δh₁ = h_r(Q_śc) − H(Q_śc), żeby przy pogodzie bezdeszczowej zwierciadło w rurze i w kanale dopływowym leżało na tej samej wysokości.
• Studzienka kontrolna daje dostęp do rury i uskok dna Δh₂ = H_o(Q_gr) − d_r, dzięki któremu woda w kanale odpływowym nie zatapia wylotu rury przy Q_gr.
• Kanał burzowy musi przeprowadzić Q ze swobodnym zwierciadłem, a jego wierzch nie może leżeć wyżej niż krawędź. Inaczej przelew pracuje jako zatopiony.
• Deska nurnikowa zatrzymuje pływające zanieczyszczenia przed krawędzią. W obliczeniach jej nie uwzględniono.

Tok obliczeń

Strumienie i głębokości w kanałach (wzór Manninga, głębokość krytyczna z αQ²/g = A³/B):

Krawędź musi leżeć wyżej niż głębokość krytyczna, nie niżej niż 0,6 D, przy Q_gr prędkość w komorze ma wynosić co najmniej 0,3 m/s, a przy Q_d zwierciadło p + h_a ma leżeć między H(Q_d) a sklepieniem kanału dopływowego. Długość rury dławiącej wynika z warunku, że przy Q_gr zwierciadło sięga krawędzi:

gdzie J = λv²/(2g d_r), λ = 8gn²/(d_r/4)^1/3 albo z wzoru Colebrooka–White’a, α_r = 1 + 2,93λ − 1,55λ^3/2. Wysokość warstwy na końcu przelewu daje równanie energii dla rury przy Q_o:

Na początku przelewu warstwa jest cieńsza o część wysokości prędkości: h_a = h_k − 0,9 αv_a²/2g, a średnio h_m = h_a + 0,6 (h_k − h_a). Długość krawędzi:

z q_r = Q/Q_d, L₀ = l_p/H_a, W₀ = h_a/H_a, Fr₀ = Q_d/(A₀√(gH_a)), K₀ = bH_a/A₀, H_a = p + h_a. Wzór i μ liczą się na przemian, aż się ustalą. Gdy l_p > 5D, krawędź dzieli się na dwie, każda o połowie długości. Korona krawędzi ma szerokość najwyżej h_m/2.

Praca przy dowolnym dopływie

Krzywa pracy i symulacja deszczu korzystają z tych samych równań przy ustalonych wymiarach. Dla każdego dopływu model szuka takiej warstwy h_k, przy której Q_o(h_k) z równania energii dla rury i Q(h_k) ze wzoru przelewu dają razem dopływ Q_d. Poniżej przepływu, przy którym woda sięga krawędzi, cały dopływ płynie do oczyszczalni.

Wymagania

Literatura (Kotowski 2011) przywołuje za rozporządzeniem Ministra Środowiska z 2006 r. dwa warunki: przelew może zrzucać ścieki do odbiornika najwyżej 10 razy w roku, a przepływ, przy którym zaczyna działać, ma być co najmniej czterokrotnie większy od przepływu ścieków w pogodzie bezdeszczowej, czyli n_rp ≥ 3. Przepisy się zmieniają, więc przed projektowaniem sprawdź wymagania obowiązujące w danej sprawie i w pozwoleniu wodnoprawnym.

Założenia modelu

• Każde położenie suwaka to ruch ustalony. Symulacja deszczu to ciąg stanów ustalonych, bez retencji w komorze i kanałach.
• Głębokości w kanałach liczone są z wzoru Manninga ze wspólnym współczynnikiem n. Opór rury dławiącej: Manning n_r albo Colebrook–White z chropowatością k.
• Zwierciadło wzdłuż krawędzi rośnie od h_a do h_k jak ξ^2/3, co daje średnią h_m.
• Po usunięciu rury dławiącej krawędź zostaje taka jak w projekcie z rurą, a kanał odpływowy zaczyna się w komorze: przy swobodnym zwierciadle poziom w komorze to H_o + (1 + ζ_w)v²/2g, po wypełnieniu kanał pracuje pod ciśnieniem na odcinku 50 m do studzienki.
• Komora uspokajająca wchodzi do obliczeń przez spadek dna i l_u. Wygaszania zawirowań model jednowymiarowy nie opisuje, dlatego jej brak sygnalizuje warunek l_u ≥ 2D.
• Rura dławiąca jest na rysunku skrócona; przerwa w rurze oznacza przerwanie rysunku. Opis przy rurze podaje rzeczywistą długość.
• Procedurę sprawdzono na przykładach obliczeniowych z literatury: h_k, h_a i h_m zgadzają się do około 1 cm, różnice w l_p wynikają z odczytów z nomogramów.

Źródło procedury: A. Kotowski, Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnień terenów, Seidel-Przywecki, Warszawa 2011. Napełnienia kanałów przy częściowym wypełnieniu pokazuje wykres pracy kanału.