Zelené střechy jako součást ekologického hospodaření s dešťovou vodou

od pojmem „Retenční vlastnosti zelených střech“ rozumíme schopnost zelených střech zadržovat vodu, za stále častěji používaným pojmem „Decentralizovaného hospodaření s dešťovou vodou“ se skrývá "Vsakování", "Využití dešťové vody" a "Střešní zeleň". Zdá se, že v posledních letech si urbanisté a vodohospodáři stále více uvědomují význam posledního uvedeného pojmu. Přesto je důsledné využívání vodohospodářských předností zelených střech v praxi dosud spíše výjimkou. Důvodem je jistě i to, že retenční vlastnosti zelených střech jsou sice podle dřívějšího základního výzkumu nesporné, avšak jen těžko je lze přenést na konkrétní regionální podmínky. Zatím se tedy hovořilo především o „paušálním“ využití, aniž bychom je dokázali kvantifikovat a efektivně využít v projektu. Ani technické normy a směrnice pro odvodnění střech a střešní zeleň nám dnes v tomto směru ještě příliš nepomohou.

1. Stav výzkumu

Různé výzkumné ústavy a firmy v zahraničí prováděly nebo nechaly provádět více či méně nákladná šetření a pokusy ohledně retenčních vlastností zelených střech. Intenzita těchto výzkumů byla různá – od prostého stanovení maximální vodní kapacity střešního substrátu až po měření v terénu trvající několik let, přičemž účelem bylo zjištění celoročního množství zadržené vody a koeficientů špičkového odtoku (obr. 1). Tabulka 1 uvádí přehled šetření včetně doby jejich trvání a metodiky. Při porovnávání jednotlivých pokusů jsou charakteristické tyto body:

- Použití různých skladeb zelených střech, resp. materiálů a příslušné vegetace.

- Různá velikost pokusných ploch.

- Provádění takzvaných „Výpočtových dešťů“ o různé intenzitě, aby se vyhovělo normě DIN 1986 „Odvodňovací zařízení pro budovy a pozemky“.

- Různá zjišťovací období a metody (od pouhého odečtu hodnot na odměrných nádobách až po počítačové zpracování).

- Zjišťování dat v laboratorních nebo skutečných terénních podmínkách a samozřejmě také na různých stanovištích.

Jednotlivé výzkumné záměry byly více či méně koordinovány a vzájemně sladěny. Jednotlivé pokusy přitom představovaly momentální chování určitého typu zelené střechy na určitém místě. Každá z prací je příspěvkem k realistickému zobrazení skutečných retenčních vlastností zelených střech. Na základě výsledků výzkumu je možné obecně konstatovat toto:

- Schopnost zadržování vody je v různých klimatických obdobích různá (teplé letní, chladné, zimní), přičemž nejvyšší je v teplých obdobích.

- Schopnost zadržování vody závisí především v létě na technologii

- Schopnost zadržování vody je nejvyšší u bezespádových střech. Závisí pak na skladbě vegetačního souvrství zelené střechy a zejména na výšce střešního substrátu.

- Schopnost zelených střech zadržet 42-85 % z celkového ročního množství srážkové vody je nesrovnatelně vyšší než u střech bez zeleně.

- Součinitel špičkového odtoku závisí na druhu substrátu a jeho hodnota se pohybuje mezi 0,18 až 0,5 při výpočtovém množství srážek 300 l / s x ha.

Součinitel odtoku dešťových vod  „C“ – dříve označovaný řeckým písmenem „ψ“  - je udáván bezrozměrným číslem jehož hodnota je maximálně rovna 1 a jehož použitelná hodnota je ovlivněna sklonem střechy a schopností povrchu střechy jímat vodu.

Hodnota součinitele odtoku dešťových vod C  je udávána pro střechy v naší národní normě ČSN 75 6760:2003 „Vnitřní kanalizace“ v tabulce 9 takto:

Aktuální hodnoty součinitelů odtoku zelené střechy udává německá „Směrnice FLL pro projektování, provádění a údržbu zelených střech“ německé Společnosti pro výzkum, rozvoj a krajinářskou tvorbu ( „FLL-Richtlinie für die Planung, Ausführung und Pflege Dachbegrünungen“ od „Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau FLL“) z roku 1995; tyto hodnoty v současné době procházejí aktualizací. Hodnoty součinitelů odtoku nezávislé na systému se vztahují na různé konstrukční výšky vrstev a sklony střechy. Dosud nevyjasněná byla retence vody a rozměr odtokového koeficientu v závislosti na sklonu střechy. Pracovní skupina FLL vycházela při zpracování „Směrnice FLL pro projektování, provádění a údržbu zelených střech“ (FLL 1990, 1995) z předpokladu, že u střech s vyšším sklonem (od 5°) je vyšší povrchový odtok a tím i vyšší součinitel odtoku (C = 0,7) (LIESECKE 1995, 1998). V novějších výzkumech (KOLB (1999), MANN (2000)) bylo prokázáno, že sklon střechy má na retenci vody jen malý vliv. Rozdíly při různých sklonech střechy (0°, 1°, 15°) sice existují ale jsou pouze menšího rozsahu (MANN 2000).

Nové poznatky budou v budoucnu zohledněny ve „Směrnicích pro zelené střechy FLL“ včetně rozlišení mezi hodnotou „špičkového“ a „ročního“ součinitele odtoku (srov. KOLB 1995b). U uvedených hodnot se na jedné straně jedná o špičkové hodnoty součinitele odtoku při určité definované srážkové situace a na druhé straně o procentuální roční množství zadržené vody, stanovené jako průměr za několik let. Z posledního jmenovaného pojmu se odvozuje takzvaná “hodnota ročního součinitele odtoku“

Norma DIN 1986 „Odvodnění budov a pozemků“ (vydání z března 1995), která v části 2 uvádí základní údaje pro „Stanovení jmenovitých průřezů odvodňovacího a větracího potrubí“ se na rozdíl od dřívějších verzí vztahuje k součinitelům odtoku dle aktuální směrnice FLL; to znamená další vývoj směrem ke zohlednění poznatků výzkumu. Ve dřívějších vydáních byl pro zelené střechy bez rozdílu používán součinitel odtoku C = 0,3.

Z důvodu stupňujících se požadavků v praxi a také stále častěji praktikovaného odděleného poplatku za odvod zvlášť splaškové a zvlášť dešťové vody v obcích (v Německu) začala pracovní skupina FLL přepracovávat směrnice FLL, přičemž jsou stejnou měrou zohledňovány nejnovější poznatky výzkumu jako i základní hodnoty zavedené normou DIN 1986. V mnoha německých obcích platí pro objekty se zelenou střechou zvýhodněná sazba poplatku za odvod dešťové vody do kanalizace (u nás stočné). Často k tomu stačí paušálně stanovený součinitel odtoku  bez ohledu na skladbu vegetačního souvrství (zejména  na výšce střešního substrátu), vlastnosti systému nebo průkazní povinnost. Jinde naopak sazba poplatku nezohledňuje zelené střechy vůbec, důvodem je zde jistá přetrvávající skepse a nedůvěra.

2. Znázornění modelu vodního hospodářství na zelené střeše

Co se zjednodušeně odehrává ve struktuře zelené střechy při dešťových srážkách?

Podle materiálu a skladby vsakují jednotlivé vrstvy zelené střechy dešťovou vodu více či méně, až dosáhnou maximálního nasycení. Plní se tedy jakýsi „zelený střešní zásobník“. Přitom je třeba věnovat hlavní pozornost vegetačnímu souvrství zelené střechy jako celku a nesoustředit se pouze na jednotlivé segmenty.  Již během deště a bezprostředně po něm se velká část vody vypařuje a vrací se do ovzduší.  K tomu dochází neustále u vody, která ulpívá na povrchu rostlin a substrátu (evaporace) a dále dochází u rostlin podle ročního období, povětrnostních podmínek a druhu vegetace k asimilačním procesům, kdy rostliny přijímají vodu kořeny a v různém množství ji opět uvolňují do ovzduší (transpirace). Míra odpařování se liší podle druhu vegetace; u rozchodníků druhu Sedum je velmi nízká, u trávníků a stromů velmi vysoká.  Pro odtokovou charakteristiku zelené střechy to znamená, že k odtoku vody ze střechy dochází teprve po nasycení celého vegetačního souvrství (zejména střešního substrátu) vodou a překročení míry odpařování při trvajících srážkách. Zde narazíme na předsudek mnoha projektantů, že zelená střecha má při nasycení vodou stejnou odtokovou charakteristiku jako střecha holá. Pravdou je, že ani v tomto případě neodtéká přebytečná voda v takové míře, v jaké prší shora, neboť odtok je podstatně zpomalen a bržděn vegetačním souvrstvím zelené střechy.  Podstatně jiné je chování u intenzivních zelených střech, kde se počítá se zadržováním vody v akumulační drenážní vrstvě. Zde představuje objem zadržované vody další využitelný akumulační prostor, takže k odtoku přebytečné vody dochází v mnohem menší míře a v mnohem pozdějším okamžiku.

Z výše uvedených důvodů je třeba součinitel odtoku u různých typů zelených střech v ročním měřítku rozlišovat. Vysoká retence vody v létě, menší v zimě. To však neznamená, že by retenční výkon byl v zimních, resp. chladnějších obdobích zanedbatelný. V takových ročních obdobích bývá obvykle množství srážek nižší a především se nevyskytují mimořádně intenzívní (přívalové) deště. Abychom pro jistotu vyhověli i „nejhoršímu případu“, používaly se při pokusech mnohdy „výpočtové deště“ dle DIN 1986. Lze tak sice stanovit součinitel špičkového odtoku pro určitý typ zelené střechy ale otázkou je, zda odpovídá skutečné situaci v praxi. Tyto pokusy se zpravidla provádějí u zcela nasycené skladby, na kterou ještě dále dopadá silný déšť o vydatnosti 300 l/ha x s po dobu 15 minut. Vyvstává otázka, nakolik je případ přívalového deště o síle 300 l/s x ha, dopadajícího na zcela nasycenou zelenou střechu reálný. KOLB (1999a) diskutoval otázku intenzity výpočtových dešťových srážek a dospěl k maximální intenzitě 200 l/s x ha. Nabízí se úvaha o tom, že špičkový odtok závisí na intenzitě deště, ta ale nebyla při pokusech v terénu potvrzena (MANN et al 2000).

3. Metody výpočtu retenčního výkonu dle regionu

Jak lze nyní využít poznatky z teoretického modelu a výsledky regionálního výzkumu retenčních vlastností zelených střech v praxi?

Existují různé přístupy a metody. Například lze pro výpočet maximálních odtokových špiček stále zjednodušeně používat součinitel špičkového odtoku vynásobený určitou intenzitou srážek. Vynásobíme-li tento výsledek velikostí plochy, dostaneme maximální množství vody za sekundu, které teoreticky odtéká z celkové plochy střechy.  Tento jednoduchý početní vzorec však nebere v úvahu ani sklon střechy a regionální podmínky, ani specifické rozdělení a intenzitu srážek.

Jestliže například zelená střecha v Hamburgu zadrží asi 60% z ročního úhrnu 820 mm srážek (LIESECKE 1999), nelze počítat se stejnou hodnotou u stejné zelené střechy v Berlíně. V Berlíně spadne ročně asi 500 mm srážek a extenzívní zelená střecha zde zadrží přibližně 75% z tohoto množství (KÖHLER a SCHMIDT 1999).

Města Hannover a Krauchenwies mají přibližně stejné hodnoty ročních srážkových úhrnů, cca. 630 mm. Přesto zadrží extenzívní zelená střecha s tloušťkou 10 cm ve městě Krauchenwies více dešťové vody než v Hannoveru. Nejedná se o nevysvětlitelný fenomén, vysvětlení je následující: Přestože roční srážkové úhrny jsou podobné, je regionální rozdělení, četnost a síla srážek natolik rozdílná, že se „zelené střešní zásobníky“ také různým způsobem plní a vyprazdňují. Jestliže jsou navíc u pokusných ploch třeba jen nepatrné rozdíly ve sklonu, druhu vegetace a materiálu, nelze je již vůbec srovnávat. U získaných regionálních výsledků je tedy přinejmenším nutné diskutovat jejich přenositelnost na jiná místa z důvodu srovnatelnosti místních podmínek. Tabulka 1 uvádí některé výsledky výzkumu retenčních vlastností zelených střech, zjištěné různými autory na různých místech. V praxi vyvstávají dvě základní otázky týkající se retenčního výkonu zelených střech, které je třeba zodpovědět podle regionálního hlediska a podmínek stavby:

1.      Kolik srážkové vody skutečně zadrží zelená střecha průměrně za 1 rok?

2.      S jakým maximálním špičkovým odtokem je možné u zelené střechy počítat?

Možnost výpočtu a detailní odpovědi na položené otázky nabízí simulační počítačový program „RWS“, který před nedávnem popsal MANN (2000a a 2000b) a MANN et al (2000). U počítačové simulace „RWS“ (RWS je zkratka pro „RegenWasserSpeicher“ = překl.: zásobárna dešťové vody) je možné zohlednit regionální podmínky, druh zelené střechy (skladbu vegetačního souvrství), sklon střechy, velikost plochy a místní údaje o množství srážek (obr. 2). Po zadání potřebných údajů o zelené střeše a srážkách v tzv. formátu MD provede počítač simulaci akumulačních a odpařovacích procesů na základě reálných srážkových dat a vypočítá roční odtoková množství, dlouholetý odtokový průměr a maximální špičkové odtoky v sestupném pořadí a rovněž pravděpodobnost jejich výskytu.  Výpočet hodnot se provádí jednak pro zadanou velikost plochy, jednak pro plochu jednoho hektaru.

Takto přesné znázornění retenčních vlastností určitého typu zelené střechy, které odpovídá realitě, umožnilo sledování místních srážkových dat v pětiminutových intervalech po dobu několika let (nejméně 5-10 let).  Uvedená data lze zpravidla získat za poplatek od Meteorologické služby (v Něm. Deutsches Wetterdienst DWD, u nás Český hydrometeorologický ústav).

4. Praktické využití počítačové simulace

Jaké možnosti poskytuje počítačová simulace pomocí programu „RWS“?

V předchozím odstavci se hovořilo o nejistotě přenositelnosti různých výsledků pokusů při různých regionálních podmínkách. Pomocí uvedeného počítačového programu je možné dosáhnout zajímavých výsledků. Provedeme-li simulaci pro určitý typ zelené střechy, při které zůstávají základní data ozelenění stejná (v tomto případě: výška 10 cm, třívrstvá skladba systému Optigrün se směsí „rozchodníky-trávy-byliny“, sklon střechy 2%, plocha 650 m2) a mění se pouze zadávané průměrné hodnoty srážek, dostaneme následující znázornění (obr. 3):

Jestliže v Hannoveru zadrží popsaná extenzívní zelená střecha 70 % celkového množství srážkové vody za rok, bude účinnost stejného typu zelené střechy v Berlíně ještě vyšší. Množství zadržené vody zde činí 73 %. Pro  Lahr, který leží ve velmi suché oblasti, lze dokonce počítat s retencí vody ve výši 81 %. Oproti tomu např. pro Leutkirch a oblast Bevertalsperre činí průměrné množství zadržené vody „pouze“ 49%, resp. 43% z ročního srážkového úhrnu. V různých srážkových oblastech „reaguje“ zelená střecha ve své funkci zásobárny dešťové vody  různě.

Srovnatelné výpočty pomocí počítačové simulace se zohledněním místních srážkových poměrů lze využít především v obcích, které počítají s úsporou na poplatcích za odvádění dešťové vody do kanalizace pro objekty se zelenou střechou.  V závislosti na regionálním retenčním výkonu zelených střech by měly být poplatky odstupňovány. To se týká i norem pro schvalování finanční podpory na zřizování zelených střech. Například spolková země Severní Porýní – Vestfálsko (NRW 1999) stanovuje v „Oběžníku č.4 – Dlouhodobá iniciativa v ekologickém vodním hospodářství“ podmínku, že pro získání finanční podpory musí zelená střecha vykazovat součinitel odtoku C < 0,3. Jestliže nahlédneme v takovém případě do směrnice FLL (1995), která – jak již bylo řečeno – nezohledňuje regionální poměry, zjistíme, že hodnoty součinitele odtoku C < 0,3 dosáhneme již u extenzívní zelené střechy s tloušťkou vrstvy 10 cm. Jak ukazuje dlouhodobá simulace RWS, týká se to Bonnu ale pro region Bevertalsperre poblíž Wupertalu s velmi vydatnými srážkami (roční srážkový úhrn činí cca 1200 mm) vycházejí na základě regionálních dat pomocí simulačního programu podstatně horší hodnoty: stejný druh extenzívní zelené střechy jako v Bonnu zadrží při sklonu 0° jen 48% srážek za rok, což přibližně odpovídá součiniteli odtoku C = 0,52.

Rovněž je třeba při stanovení maximálních odtokových špiček u projektované zelené střechy zohlednit regionální přírodní srážkové poměry.

Tabulka 2 znázorňuje porovnání špičkového odtoku u dvou různých extenzívních zelených střech ve městech Heilbronn a Marsberg (v obou místech činí roční srážkový úhrn cca 720 mm a retence vody cca 70 %): Jestliže u ploché (1°) třívrstvé zelené střechy o tloušťce 15 cm v Marsbergu je třeba počítat s odtokem maximálně 28 l/s x ha při simulovaném období 10 let, je naproti tomu špičkový odtok vody v Heilbronnu vyšší a činí 59 l/s x ha. Extenzívní zelená střecha o tloušťce 15 cm na šikmé střeše (15°) může přitom v Heilbronnu dosáhnout odtoku 105 l/s x ha. To znamená, že schopnost retence vody je u plochých i šikmých střech podobná, avšak u šikmých ploch je třeba počítat s vyššími hodnotami špičkového odtoku.

Rovněž můžeme popřít již uvedený předsudek, že vodou nasycená zelená střecha se při silném dešti chová stejně jako střecha holá. Srovnávací počítačová simulace holé fóliové střechy a extenzívní zelené střechy s tloušťkou 15 cm (obě se sklonem 2%) ukázala následující: Fóliová střecha má při reálných srážkových poměrech ve Frankfurtu (roční srážkový úhrn cca 580 mm) maximální špičkový odtok 54 l/s x ha, zelená střecha naproti tomu vykazuje ve stejném období maximální odtok nejvýše 22 l/s x ha.

Další problém, se kterým se v praxi často setkáváme, je předem stanovené maximální množství vody, které je dovoleno ze střechy odvádět do vsakovací jámy, resp. kanalizace.  U aktuálního projektu v Berlíně byl v technické zprávě stanoven požadavek, aby z celé střešní plochy při daném sklonu a výšce substrátu odtékalo maximálně 83 l/s srážkové vody. Toto muselo být prokázáno dlouhodobou simulací.

Jiným příkladem z oblasti Stuttgartu je výpočet hodnoty pomocí vzorce „plocha x výpočtový déšť x součinitel odtoku“. Provedená kontrolní simulace RWS tuto hodnotu potvrdila. Stejná střecha by však v oblasti chudé na srážky (např. Kaiserstuhl) nebo bohaté na srážky (např. Allgäu) vykázala lepší, resp. horší hodnoty.

5. Závěr a výhled

„Zelené střechy“ získávají v důsledku decentralizovaného ekologického hospodaření s dešťovou vodou stále více na významu. Mnohé pokusy prováděné v celém Německu poskytují základní data, sloužící k pochopení retenčního výkonu zelených střech. Přesto u většiny prováděných výzkumů chybí aplikace výsledků na regionální klimatické podmínky. Schopnost zelených střech zadržovat vodu nelze uvádět paušálně pro celé území  republiky,  ale je třeba zohlednit stavební a místní srážkové poměry.

Tuto možnost nabízí počítačový simulační program, jehož oblasti využití jsou předmětem diskuze. Otázky ročního množství zadržené vody a maximálních odtokových špiček lze zodpovědět pro konkrétní objekty. Výsledky představují důležité výchozí údaje pro projektanty a obce při hodnocení zelených střech z hlediska sazeb poplatků za dešťovou kanalizaci.

Dalším vývojem simulačního programu RWS je propojení a poskytování dat počítačovému programu pro dimenzování vsakovacích jam. Tak budou propojeny dvě důležité součásti ekologického hospodaření s dešťovou vodou a bude možný jejich přesný propočet. Je to slibná možnost posílení role zelených střech v rámci decentralizovaného hospodaření s dešťovou vodou.

Autor:

Dipl. Biol. Dr. Gunter Mann, Optigrün international AG, Am Birkenstock 19, D-72505 Krauchenwies-Göggingen, Tel. +/7576-772-152, Fax +/7576-772-299