Dimensjonering av blågrønne løsninger for håndtering av overvann

Transkript

1 Dimensjonering av blågrønne løsninger for håndtering av overvann Kim H. Paus, Asplan Fagtreff i Norsk Vannforening: Grønn teknologi for urban overvannsbehandling. Vitenparken i Ås, 14.september 2015

2 Fra ett grått til ett blågrønt bymiljø Figur omarbeidet fra Norsk Vann Rapport 162/2008 Grå løsninger Kvantitet Blågrønne løsninger Kvantitet Kvalitet Verdi i samfunn

3 Grønne tak

4 Regnbed

5 Åpne vassdrag Foto: Dronninga Landskap

6 Dammer

7 Nedbør Avrenning Fra én til flere løsninger Q 2100 I 2100 Q historisk I historisk Én løsning P(t) Tid Tid Q maks,utløp Flere løsninger (3-trinnstrategien) P(t) Q 3 (t) Q 1 (t) Q 2 (t) Q 1 (t)+q 5 (t) Q 5 (t) Q 4 (t) Q maks,utløp

8 Blågrønn (lokal) håndtering av overvann Hvilke funksjonskrav skal vi sette til blågrønne løsninger? Infiltrasjonskapasitet? Vinter-situasjonen? Beregninger når vi går fra én til flere løsninger? Hvordan dimensjonerer vi regnbed, grønne tak etc.? Figur omarbeidet fra Norsk Vann Rapport 162/2008

9 Avrenning Funksjonskrav Maksimalt påslipp til kommunalt nett / utløp til vassdrag Veiledende verdier for maksimalt påslipp til separatsystemet i Oslo kommune tilsvarer avrenningsintensiteter fra 30 til 50 l/(s ha). Dette medfører at området må «oppføre» seg som et naturlig området med avrenningskoeffisienter fra 0,3 til 0,4 (for et 60 min regn med 20 års gjentaksintervall og klimapåslag på 20 %). «Null» tiltak «Noe» tiltak «Nok» tiltak Maksimalt tillatt påslipp Tid

10 Funksjonskrav Gjentaksintervall og klimafaktor "5 år" "2 år" "25 år" "10 "5 år" "200 år" år" "25 "25 år"år"

11 Funksjonskrav Dimensjonerende nedbør: Varighet Foto: Mathilde Hyldal Eberholst (2013) Foto: Olav Fergus Kvalnes (2014) Alle varigheter må undersøkes? Foto: Jonas Dixon Østhassel / NRK (2013) Foto: Vaidar Ruud / NTB Scanpix (2015)

12 Funksjonskrav Flomveier Foto: Olav Fergus Kvalnes (2014) Foto: Mathilde Hyldal Eberholst (2013) Åpen Lukket Foto: Jonas Dixon Østhassel / NRK (2013)

13 Funksjonskrav Vintersituasjon Ved vurdering av vintersituasjonen: 1. Sette infiltrasjonskapasitet til et minimum 2. Benytte representativ nedbørdata (maksimal døgnnedbør for ulike sesonger finnes på eklima) IVF-statistikk er som oftest sommer-regn: Et vinterregn (24 timers varighet) har en nedbørmengde ca. 30 til 40 % av sommer-regnet for samme gjentaksintervall

14 Infiltrasjonskapasitet [cm/t] Redusert ytelse som følge av lav temperatur Nedbør Regn-på-snø og snøsmelting Infiltrert / tilført Andel av tilført vann som infiltreres [%]

15 Felt-forsøk på eksisterende regnbed for å undersøke infiltrasjonskapasitet over tid Infiltrasjons-kapasitet [cm/t]

16 Eksempel Forutsetninger: Areal = 0,74 ha Midlere avrenningskoeffisient = 0,79 Konsentrasjonstid = 10 min Maksimalt påslipp til kommunalt nett = 20 l/s Dimensjonerende gjentaksintervall = 20 år Klimapåslag = 20 % (klimafaktor = 1,2) Nedbørstasjon = Blindern (18701) Krav til sammenhengende nedbør = Nei Periode = Variabler: Tre metoder for beregning av nedbør/avrenning 1. Enkeltregn (240 l//s ha) med 20 min varighet) 2. Kasseregn (varigheter fra 1 til 1440 min) 3. Regnhyetogram (varigheter fra 1 til 360 min) Tre løsninger: A. Bare lukket fordrøyningsmagasin B. Regnbed + lukket fordrøyningsmagasin C. Grønne tak + regnbed + lukket magasin

17 Alt 1: Lukket magasin TOT = m2

18 Alt 1: Lukket magasin TOT = m2

19 Alt 1: Lukket magasin TOT = m2

20 Alt 1: Lukket magasin TOT = m2 Nødvendig volum blir ca. 10 % større ved bruk av regnhyetogram..

21 Alt 2: Regnbed + lukket magasin TOT = m2 Forutsetninger: Areal ca. 10 % av nedbørfelt Maksimal vannstand = 25 cm Infiltrasjonskapasitet = 10 cm/t Hvordan fungerer regnbed?

22 Overvåkning av «pilot»-regnbed for å undersøke hydrologisk ytelse under norske forhold L34b NB21 H8 RIS Langmyrgrenda 34b (Oslo) Nils Bayes vei 21 (Oslo) Hammondsvei 8 (Melhus) Risvollan borettslag (Trondheim) Etablert: 2006 Etablert: 2009 Etablert: 2009 Etablert: 2010 Overflateareal: 5,9 m 2 Overflateareal: 10,3 m 2 Overflateareal: 5,1 m 2 Overflateareal: 40,0 m 2 Maksimale vannstand: 6,5 cm Maksimale vannstand: 20 cm Maksimale vannstand: 19 cm Maksimale vannstand: 16 cm Dybde filtermedium: - Dybde filtermedium: 80 cm Dybde filtermedium: 100 cm Dybde filtermedium: 75 cm Drensrør: - Drensrør: 100 mm Drensrør: 100 mm Drensrør: 2 X 100 mm Areal nedbørsfelt: 291 m 2 Areal nedbørsfelt: 139 m 2 Areal nedbørsfelt: 107 m 2 Areal nedbørsfelt: m 2 Nedbørsfelt: Gårdsplass Nedbørsfelt: Tak Nedbørsfelt: Tak Nedbørsfelt: Asfalt og gress

23 Enkel modellering av ytelse Sammenlikning av predikert og observert vannvolum infiltrert for hendelser V inf A bio h max (5) V inf A bio h max + n d (6) V inf A bio t K sat h + d d (7) V inf A bio h max + K sat t (8) V inf is the runoff volume infiltrate [m 3 ], A bio is the bioretention surface area [m 2 ], h max is the maximum height of ponded water on the surface [m], h is the average height of ponded water on the surface [m], n is the mean effective porosity in the bioretention media, d is the bioretention media depth [m], K sat is the saturated hydraulic conductivity [m/h], and t is the inflow duration [h].

24 Observert infiltrasjonsvolum [m3] Enkel modellering av ytelse Formel med beste tilpasning A regnbed = A felt c P h maks + K sat t r A regnbed er regnbedets overflateareal [m 2 ] A felt er nedbørsfeltets størrelse [m 2 ] c er nedbørsfeltets gjennomsnittlig avrenningskoeffisient [-] P er dimensjonerende nedbørsmengde [m] h maks er vannstanden på overflaten når vannet går i overløp [m] K sat er filtermediets mettede hydrauliske konduktivitet [m/t] t r er dimensjonerende varighet på tilrenningen til regnbedet [t] Predikert infiltrasjonsvolum [m3]

25 Regnbed: Dimensjonering 1. Dimensjonering mht. spesifikk krav: A regnbed = A felt c P h maks + K h t r A regnbed er regnbedets overflateareal [m 2 ] A felt er nedbørsfeltets størrelse [m 2 ] c er nedbørsfeltets gjennomsnittlig avrenningskoeffisient [-] P er dimensjonerende nedbørsmengde [m] h maks er vannstanden på overflaten når vannet går i overløp [m] K h er filtermediets mettede hydrauliske konduktivitet [m/t] t r er dimensjonerende varighet på tilrenningen til regnbedet [t] Eksempel: Bestemmelse av overflateareal Det skal anlegges ett regnbed i ett 100 % tett nedbørsfelt (c=1) med størrelse 0,1 ha. Regnbedet skal være i stand til å håndtere 20 mm som faller med konstant intensitet over 2 timer. Den maksimale vannhøyden på regnbedet er 20 cm og filtermediet har en mettet hydraulisk konduktivitet på 10 cm/t. Hvor stort må regnbedet være? Metode 1: A regnbed = 1000 m2 1 0,02 m 0,20 m +0,10 cm = 50 m2 2t t 2. Kan se bort i fra infiltrasjonsbidraget (konservativt): A regnbed = A felt c P h maks (eller 5 % av nedbørsfeltet) Metode 2: A regnbed = 1000 m2 1 0,02 m 0,20 m (eller 10 % av nedbørsfeltet) = 100 m 2

26 Optimal utforming (varierende infiltrasjonsevne (Ksat), størrelse (Abio) og magasineringsdybde (Hmaks)) Dagens situasjon: (58 % av avrenningen blir håndtert) Abio = 40 m2 Hmax = 16 cm Ksat = 1,3 cm/t 73 % 91 % 100 %

27 Alt 2: Regnbed + lukket magasin TOT = m2

28 Alt 2: Regnbed + lukket magasin TOT = m2 Nødvendig volum blir ca. 20 % større ved bruk av regnhyetogram..

29 Alt 2: Beregnet overløp fra regnbed Metode 1

30 Alt 2: Beregnet overløp fra regnbed Metode 2

31 Alt 2: Beregnet overløp fra regnbed Metode 3

32 Alt 3: Grønt tak + regnbed + lukket magasin TOT = m2 Forutsetninger: Tynne sedumtak Hvordan fungerer grønne tak?

33 GRØNNE TAK Foto: B.Braskerud Norwegian University of Science and Technology 08 September 2011

34 GRØNNE TAK 2-3 cm Foto: B.Braskerud

35 GRØNNE TAK mm/5 min 26. juli 2014: Det «nye» 25 års regnet («gammelt» 200 års regn) til 20 mm tilbakeholdes Nedbør GT1b GT Intensitet redusert med 89 % Avrenningstopp forsinket med 10 til 15 min Avrenning fordeles over lengre tid Minutter Data: B.Braskerud

36 GRØNNE TAK Vannmengden et grønt tak kan holde tilbake/fordøye avhengig av nedbørintensitet og varighet. Alle tall i mm. ÅR 5 min & FD # 10 min FD 20 min FD 30 min FD 60 min FD 2 5,5 3,1 8,2 4,4 11,6 5,3 13,9 6,3 17,3 7,6 5 7,4 4,3 11,1 6,1 16,2 7,3 19,3 8,6 23,8 10,4 10 8,7 5,1 13,0 7,2 19,2 8,6 22,9 10,2 28,1 12,2 20 9,9 5,8 14,8 8,3 22,0 9,8 26,3 11,6 32,3 14, ,3 6,0 15,4 8,6 22,9 10,2 27,4 12,1 33,6 14, ,5 6,7 17,1 9,6 25,7 11,4 30,7 13,5 37,6 16,3 År er gjentaksintervallet for gitt nedbør og varighet. & er varigheten på nedbøren (eks. 17,1 mm/10 min skjer i gjennomsnitt hvert 50. år). # FD er antall mm vann et grønt ekstensivt tak kan holde tilbake gitt nedbøren og er beregnet fra regresjonsligningene til GT 1 i figur 32 og 39 i NVE rapport 65/2014 => Data: B.Braskerud

37 GRØNNE TAK Vannmengden et grønt tak kan holde tilbake/fordøye avhengig av nedbørintensitet og varighet. Alle tall i mm. Omregning til avrenningskoeffisienter Etablering av grønne tak medfører at avrenningskoeffisienten reduseres fra ca. 0,85-0,95 til ca. 0,45-0,60 Data: B.Braskerud

38 Alt 3: Grønt tak + regnbed + lukket magasin TOT = m2 Nødvendig volum blir ca. 27 % større ved bruk av regnhyetogram..

39 Alt 3: Grønt tak + regnbed + lukket magasin TOT = m2 Forutsetninger: Lukket magasin: til NOK/m 3 Regnbed: til NOK/m 2 Grønne tak: 400 til 600 NOK/m 2

40 Takk for oppmerksomheten Hvordan skal vi kunne beregne løsninger i kombinasjon uten å gjøre det for komplisert? Metodevalg spesielt mtp. Nedbør/avrenning og utløp fra magasin gir store variasjoner i resultater. Det er behov for mer overvåking/dataanalyse fra pilot-anlegg (regnbed, grønne tak etc.).

41 Referanser Norsk litteratur: Braskerud, B. C. (2014). Effekten av ekstensive tak med sedumvegetasjon for redusert avrenning etter nedbør og snøsmelting i Oslo, NVE-rapport nr. 65/2014 Braskerud, B. C. (2014). Styrtregn og avrenning fra grønne tak med sedumvegetasjon. Vann, 4: Paus K.H. og Braskerud, B. C. (2013). Dimensjonering og utforming av regnbed under norske forhold. Vann, 1 (48): Braskerud, B. C. and Paus, K. H. (2013). Anlegging av regnbed. En billedkavalkade over 4 anlagte regnbed, NVE rapport nr. 3/2013 Braskerud, B. C., Kihlgren, K. S., Saksæther, V. og Bjerkholt, J. T. (2012). Hydrologisk testing av regnbed for bruk som LOD-tiltak i småhusbebyggelse. Vann, 4 (47): Dalen, T., Paus, K. H., Braskerud, B. C. og Thorolfsson, S. T. (2012). Målt og modellert hydrologisk ytelse til regnbed i Trondheim. Vann, 3 (47): Regnbed, tungmetaller, vegsalt og infiltrasjon: Paus, K. H., Braskerud, B.C. Muthanna, T.M. (in press). The Hydrological Performance of Bioretention Cells in Regions with Cold Climates: Seasonal Variation and Implications for Design. Hydrology Research Paus, K. H., Braskerud, B.C. (2014). Suggestions for Designing and Building Bioretention cells for Nordic Conditions. VATTEN Journal of Water Management and Research (70) Paus, K. H., Morgan, J., Gulliver, J. S., Leiknes, T. and Hozalski, R. M. (2014). Assessment of the Hydraulic and Toxic Metal Removal Capacities of Bioretention Cells After 2 to 8 Years of Service. Water, Air, and Soil Pollution, 225 (1). Paus, K. H., Morgan, J., Gulliver, J. S., Leiknes, T. and Hozalski, R. M. (2014). Effects of Temperature and NaCl on Toxic Metal Retention in Bioretention Media. Journal of Environmental Engineering Paus, K. H., Morgan, J., Gulliver, J. S. and Hozalski, R. M. (2014). Effects of Bioretention Media Compost Volume Fraction on Toxic Metals Removal, Hydraulic Conductivity, and Phosphorous Release. Journal of Environmental Engineering LeFevre, G. H., Paus, K. H., Natarajan, P., Gulliver, J. S., Novak, P. J. and Hozalski, R. M. (2014). A Review of Dissolved Pollutants in Urban Stormwater and their Removal and Fate in Bioretention Cells. Journal of Environmental Engineering

42 Fra en grå til en blågrønn tankegang 1.Mars Mars 2014