Teadlased uurivad linnateedel liikuvaid kaevuluuke

Foto: Priit Mürk

Maailma suurlinnades, aga ka Eesti suuremates linnades tekib üha suurem surve arendada veevarustuse ja kanalisatsiooni süsteeme. Selle üheks põhjuseks on pidev elamuehitus linnas, aga ka selle ümbruskonna valdades, milles toimub rahvatiku juurdekasv. Seetõttu kasvab ka vajadus ehituse ja keskkonnatehnika inseneride abikäe järele. Linnataristu vajab pidevalt renoveerimist ja ka uute vajaduste tarvis rekonstrueerimist.

Hiljuti jagati sotsiaalmeedias amatöörvideot n-ö lendavatest taldrikutest Tallinna Kristiine linnaosas. Sealt on näha, kuidas sõidutee kanalisatsioonikaevudelt hüppavad luugid pealt ära. Kui Eesti linnades juhtub seda veel suhteliselt harva, siis maailma suurlinnades leiab näiteid küllaga. Millega on tegemist ja mida saavad teadlased selliste olukordade vältimiseks ära teha?

Sellele maanteel liikuvate kaevuluukide sündmusele Tallinnas oli eelnenud tugev vihmasadu, mis ei tekitanud tänavatel üleujutust, küll aga väljutas õhu maa-alusest torustikust sellise hooga, et sõiduteele paigaldatud rasked kaevuluugid liikusid õhujõu toimel pea poole meetri kõrgusele. Pealtnägija videomaterjal nendest «lendavatest taldrikutest» Kristiine linnaosas jõudis ka sotsiaalmeedia uudisvoogu.

Tallinna Tehnikaülikooli vee- ja keskkonnatehnika uurimisrühm ongi asunud koguma sarnaselt ohtlike olukordade kohta informatsiooni, et selgitada välja asjaolud. Oleme üks seitsmest ehituse ja arhitektuuri instituudi uurimisrühmast, mille profiil on üsna mitmekesine, kuna seob mitmeid teadusliku ja rakendusliku iseloomuga projekte veeressursside kasutamise, jäätmete käitlemise, veevarustuse ja kanalisatsiooni inseneeria, hüdroloogiliste süsteemide vms uuringutest.

Ja üks uus teema, millest ka siinne lugu algas, on vee ja õhu koosvoolamise modelleerimine hüdraulilises voolusüsteemis. Võib küsida, miks on see teema inseneerias oluline?

Mis toimub linnas maa all?

Torustik on n-ö pealt-kaetud voolusäng, milles vesi ja õhk saavad liikuda ainult voolupiirde ehk toruseina suunaliselt. Erinevalt jõest, milles vesi voolab avatud voolusängis, mida hüdroloogilises süsteemis nimetatakse ka avasängiks, saab vesi liikuda voolupiirdega ehk sängipõhja ja -kallaste suunaliselt, aga õhu liikumisele ei ole kallastega seotuid piiranguid.

Jõe puhul on tegemist vooluveekoguga, milles veepind on atmosfääri õhu rõhu all. See esmapilgul mitteoluline erinevus avatud ja pealt-kaetud voolusängide geomeetrilistes tingimustes võib teatud olukorras kulmineeruda aga olulise erinevusega vee ja õhu koosvoolamise dünaamikas, millest sõltub otseselt kanalisatsiooni toimimine.

Linna veekogumise süsteemi, milles on olemas nii reovesi, sademevesi kui ka drenaaživesi, keerukus võib väljenduda torustike pikkuses ja ühendustes, pumplate ja erinevate kogumismahutite ja tunnelite kasutamises, tarbijate profiilis (olmereovesi või tööstuslik reovesi), sademevee juurdevoolus, eelpuhastite kasutamises, pinnasevee infiltratsioonis vms.

Seetõttu ongi linnas võimalikud ettenägematud häiringud, milleks võib olla ka ebameeldiva lõhna ehk haisu häiring hoonetes või ka nende ümbruses.

Maailmas ainulaadne teadusprojekt püüab olukorda parandada

Uus teadusprojekt keskendub vastavate modelleerimisvahendite välja töötamisele ja nende testimisele mõõtmisandmetega.

See tähendab, et mõõtmistega on küll võimalik lihtsamalt selgitada õhu ja vee voolamise tingimusi eraldi, aga nende interaktsiooni ehk siis õhu ja vee segunemise mõõtmine on tänapäevani praktiliselt võimatu tehniline ülesanne!

Seetõttu on oluline arendada just veevarustuse ja kanalisatsiooni modelleerimise töövahendeid, mis võimaldaksid analüüsida õhu ja vee segunemisprotsesse torustikes.

Siinkohal võib veel lisada seda, et segunemisprotsessid torustikes mõjutavad oluliselt nii veereostuse kui ka õhusaaste näitajaid, mille alusel valitakse puhastustehnoloogiad.

Tulemuslikud eksperimendid Taanis

Rakendusliku iseloomuga teadusprojekte, mis seda probleemi püüavad lahendada, on vähe. Põhjus selleks on lihtne: tänapäevani puuduvad õhu ja vee koosvoolamise hüdraulika valemid, mille kaudu oleks võimalik koostada numbrilised arvutusskeemid vastavatele insenertarkvaradele. Seetõttu on väga olulised just eksperimentaalsed uuringud ja tehnoloogilised arendused, mis aitavad keerulistes insenerprobleemides selgust seada. Kõige värskem, TalTech-i poolt koordineeritud riikidevaheline rakendusprojekt Co-UDlabs AROMA koondas huvirühmi kuuest ülikoolist ja kahest vee-ettevõttest nii Euroopast kui ka kaugemalt.

Eksperimentaalses uurimistöös osalesid aktiivsemalt insenerid, teadlased ja tudengid Taanist Aalborgi Ülikoolist, Tallinna Tehnikaülikoolist, Hollandist Eindhoveni Ülikoolist ja Tallinna vee-ettevõttest, eesmärgiga uurida vee ja õhu koosvoolamise ning kanalisatsioonigaaside koostoimet torustiku erinevatele ventilatsiooni tingimustele.

Taanis toimunud eksperimendid olid seotud nii loomuliku kui ka mehaanilise ventilatsiooni olukordadega välilabori reaktoris, mida oli võimalik ühendada ka asula veevärgi ja -kanalisatsiooni torustikega. Mõõtmistulemused näitasid erinevaid seoseid vee ja õhu segunemise substraatide ning veereostuse ja õhusaaste näitajate kohta. Mõõtmistega oli oluline teada saada ka betoonrõngastest ehitatud torustiku korrosiooni toimimise aja-karakteristikud ning aktiivsöefiltri töö tõhusust näitavad parameetrid gaaside keskkonnas.

Appi tuleb numbriline mudel

TalTech-il on olemas Taani välilabori pilootreaktorile koostatud arvutusliku vedeliku dünaamika (CFD) mudel, mis võimaldab arvutada õhu ja vee koosvoolamisega kaasnevaid eriolukordi linna veekogumise süsteemis. Mahukama modelleerimistöö jaoks on planeeritud kasutada TalTech HPC keskuse arvutusressurssi. See on väga oluline ressurss, mis võimaldab arendada kaasaegseid töövahendeid ehitatud keskkonnale.

CFD mudeliga on võimalik analüüsida ka õhu tsirkuleerimise olukordi hüdraulilises voolusüsteemis, selle kiirel täitumisel veega. Linna kanalisatsioon koosneb erinevate mõõtmete, langude, materjalide ja vanustega rõhuliste ja isevoolsete torustike ning kaevude süsteemist, milles on olemas nii peatorustikud, st kollektorid kui ka nendega ühendatud olmevee linnaosade hargvõrgud, tööstusvee torustikud jm.

Veevärgi ja -kanalisatsiooni laiendamist ei saa enam vanaviisi projekteerida

Tulles tagasi Kristiine linnaosas toimunu juurde, siis selle mitteehitusliku arendustöö ja uuringu jaoks on kavas kasutada koostööprojekti formaati, kuhu lisaks TalTech-ile kaasatakse ka Eesti vee- ja konsultatsiooniettevõtted. Koostööst EVKIS-ega on olemas plaan täiendada kanalisatsiooni projekteerimise tingimusi, mis on seotud õhu väljutamisega kanalisatsiooni torustikest kontrollitud viisil, nt kasutades selleks linnapüstikuid. Töö tulemusena koostatakse juhendmaterjal, mida vajadusel saab ära kasutada veevarustuse ja kanalisatsiooni inseneride täienduskoolitustel ning sisendina vastavates EV sise- ja väliskanalisatsiooni standardites.

Kui tahame ebameeldivaid olukordi vältida, siis peaks linna ehitatud suurte sisemõõtmetega maa-alused kollektorid olema piisavalt suure mahuga, et vastu võtta nii vihmadega kanalisatsiooni kogunevad veekogused kui ka väljutada õhk parajalt suure kiirusega. Paistab, et just õhu väljavoolu tingimused linna maa-alusest torustikust ongi see oluline küsimus, mis vajab põhjalikumat uuringut.

Seda võimalust, et õhk kanalisatsioonis väljutada ventilaatoriga, ei ole veel Eesti linnades kasutatud.

Kokkuvõtlikult võib öelda seda, et kanalisatsiooni loomulik ventilatsioon sõltub oluliselt välisõhu liikumisest linnapüstiku piirkonnas, veepinna vertikaalsest liikumisest torustikus, vee voolukiirusest torustikus, sise- ja välistemperatuuride vahest tingitud õhurõhkude erinevusest, ning õhugaaside segu baromeetrilisest rõhust.

Reeglina hakkab õhk liikuma ventileeritava süsteemi kõrgema rõhuga osast madalama rõhuga ossa. Tõhusat õhuvahetust võivad takistada kanalisatsioonile paigaldatud linnapüstikute lähedal asuv kõrghaljastus või ka ehitised. Sundventilatsiooni puhul on õhu liikuma panevaks seadmeks ventilaator, mis kasutab tööks elektrienergiat. Loomuliku- ja sundventilatsiooni põhiliseks erinevuseks ongi õhu liikuma panev seade. Seda võimalust, et õhk kanalisatsioonis väljutada ventilaatoriga, ei ole veel Eesti linnades kasutatud.

Linnaruumis on oluline tähelepanu pöörata ka kanalisatsiooni ventilatsioonilahenduste arhitektuurilisele teostusele, et ehitis vastaks linnakeskkonna tingimustele, näiteks selle mõõtmete, paigutuse, välispiirde nõuete, ohutuse vms kohaselt.

Üldiselt võiksid püstikud olla linnaruumi tagasihoidlikult sobituvad. Linnapüstiku arhitektuurne lahendus peaks vastama peamiselt ehitise funktsionaalsusele, tehnoloogilisele seadistusele, kulutõhususele vms.

Ebameeldivate lõhnade vältimiseks on olemas erinevad tehnoloogiaid. Sobiva tehnoloogia leidmine tekitab mitmeid väljakutseid ning sageli ongi võimatu tuvastada üht tehnoloogiat, mis oleks kõigis olukordades kõige sobivam. See vajab n-ö rohelisemat lahendust.

Eelnevalt oleks vajalik välja selgitada haisuallikate tüübid ja asukohad linna lõhnamaastikul ning ka lõhnaainete heitkoguste mõõtmine erinevatel aastaaegadel. Siis saaks sobivaimat meedet ka rakendada, nt linnapüstiku ehitamine, filtri kasutamine, ventilaatori paigaldamine püstikusse vms. On hästi teada, et kanalisatsiooni gaasid võivad põhjustada häiringuid kuna ebameeldivad lõhnad mõjutavad oluliselt elu- ja töökeskkonna tingimusi ning ohustavad inimeste tervist.

Esialgu on plaanis TalTech-i modelleerimisvahendiga selgitada välja õhukavernide tekkemehhanismid linna maa-aluse torustike, mahutite vms süsteemis. Õhu kavernid moodustuvad just torustike täitumisel veega kui torustiku piirde alumises osas voolab vesi, mis teatud tingimusel võib ka nö lukustada õhuosa torustiku kõrgemates kohtades, kaasaarvatud luukidega suletud kaevudes, st tekivad nö rõhulised õhuosad veesüsteemis. See võib olla üks põhjus, miks maanteede kaevuluugid hüplevad intensiivsemate vihmadega.