Regnbed. - Fordrøyning, overvannsrensing og biologisk mangfold. Klimatilpasningsseminar overvann Fylkesmannen i Oslo og Akershus

Transkript

1 Regnbed - Fordrøyning, overvannsrensing og biologisk mangfold Klimatilpasningsseminar overvann Fylkesmannen i Oslo og Akershus Kim H. Paus Asplan Viak 27.Januar 2015

2 Avrenning Utfordring 1: Fortetting påvirker avrenningen Kapasitet på ledningsnett (rørdiameter etc.) Tid Increasing Økende urbanisering Urbanization Figur fra Stream Corridor Restoration Principles, processes, and Practices (2001) USDA-Natural Resources Conservation Service

3 Avrenning Utfordring 2: Ledningsnettet har stadig dårligere tilstand Kapasitet på ledningsnett (rørdiameter etc.) Redusert kapasitet på ledningsnett Tid Increasing Økende urbanisering Urbanization Figur fra Stream Corridor Restoration Principles, processes, and Practices (2001) USDA-Natural Resources Conservation Service

4 Avrenning Utfordring 3: Effekt av forventede klimaendringer Kapasitet på ledningsnett (rørdiameter etc.) Redusert kapasitet på ledningsnett Tid Increasing Økende urbanisering Urbanization Figur fra Stream Corridor Restoration Principles, processes, and Practices (2001) USDA-Natural Resources Conservation Service

5 Utfordring 4: Overvann fra tette flater er ofte forurenset Tilstandsklasser for ferskvann (KLIF, 1997) Lindholm, O. (2004). Miljøgifter i overvann fra tette flater: Litteraturstudie, RAPPORT LNR , NIVA

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

7 Regnbed: Prinsipper Lokalt tiltak for å håndterere overvannsmengder og fjerne forurensning Vegetasjon bestående av varierte arter som tåler perioder med både stående vann og tørke Filtermediet som typisk består av sand, matjord og løv-kompost Norsk Vanns treleddsstrategi Paus og Braskerud (2013) Forslag til dimensjonering og utforming av regnbed for norske forhold. Vann (1) 48.

8

9 Vannføring [m 3 /t] Nedbør [mm/10 min] 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 2,5 NEDBØR 2,2 1,8 1,4 1,1 0,7 0,4 0.0

10 Vannføring [m 3 /t] Nedbør [mm/10 min] 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 2,5 NEDBØR 2,2 1,8 1,4 1,1 0,7 0,4 0.0

11 Vannføring [m 3 /t] Nedbør [mm/10 min] 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 2,5 NEDBØR 2,2 1,8 1,4 1,1 0,7 0,4 0.0

12 Vannføring [m 3 /t] Nedbør [mm/10 min] 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 2,5 NEDBØR 2,2 1,8 Reduksjon av flomtopp = 88% 1,4 1,1 0,7 0,4 0.0

13 Vannføring [m 3 /t] Nedbør [mm/10 min] 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 2,5 NEDBØR Tidsforsinkelse på flomtopp = 55 minutter 2,2 1,8 Reduksjon av flomtopp = 88% 1,4 1,1 0,7 0,4 0.0

14 Vannføring [m 3 /t] Nedbør [mm/10 min] 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 2,5 NEDBØR 2,2 1,8 1,4 1,1 0,7 Kapasitet på ledningsnett 0,4 0.0

15 Er regnbed egnet for norske forhold og kaldt klima? Infiltrasjon Lav temperatur? Ytelse om vinteren? Dimensjonering? Gjentetting av partikler? Vegsalt? Varmt klima Kaldt klima Lav temperatur? Forventet levetid? Forurenset smeltevann? Rensing Vegsalt? Sammensetning av filtermedia?

16 Metoder: Batch- og kolonne-forsøk for å studere filtermediets evne til å tilbakeholde løste metaller Filtermedia med varierende mengde løvkompost for å undersøke effekten av organisk materiale. Tilførte konstante konsentrasjoner av løst Cd, Cu og Zn To parallell-forsøk (3.6 ⁰C og 19.4 ⁰C) for å undersøke effekten av temperatur. Tilsetning av NaCl for å studere effekter av vegsalt.

17 Metoder: Felt-forsøk og analyse av filtermediet i eksisterende regnbed Feltforsøk ved seks regnbed i Minneapolis, USA Infiltrasjons-forsøk ved MPDinfiltrometer (Modified Philip Dunne) for å undersøke levetid Innsamling av filtermedia-prøver for analyse av resterende rense-evne for løste metaller Tilsetning av NaCl for å studere effekter av vegsalt.

18 Metoder: Kontinuerlig langtids (2-3 år) hydrologisk overvåking av norske regnbed 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

19 Konsentrasjon av sink i utløpet [mg/l] Kolonne-forsøket gir informasjon om hvor mye Løste metaller som kan fjernes (sorpsjonskapasiteten) Sorpsjonskapasitet Vannvolum [L] Sorbent Sorpsjonskapasitet [mg/kg] Cd Cu Zn Mulch ,124 Alumina catalyst Activated bauxsol-coated sand Bauxsol-coated sand ,130 Fly ash Granulated activated carbon Granulated ferric hydroxide Iron oxide-coated sand Natural zeolite Spinel Olivine I - - 1,478 Olivine II Limestone Shell sand - 1, Zeolite Compost type I (MNC1) Compost type II (MNC2) ,136 Sand

20 Sorpsjonskapasiteten øker lineært med økende mengde løvkompost ift. sand (organisk materiale) 100% sand 10% compost 90% sand 30% compost 70% sand 50% compost 50% sand Sorpsjons-kapasitet [mg Cd per g filtermedia] Organisk materialet i filtermedia (LOI) [%]

21 Mettet hydraulisk konduktivitet, Ksat [cm/t] Infiltrasjonsevnen avtar med økende mengde løvkompost ift. sand Sorpsjons-kapasitet [mg Cd per g filtermedia] Organisk materialet i filtermedia (LOI) [%]

22 Konsentrasjon av sink i utløpet [mg/l] Kolonne-forsøkene viser at sorpsjonskapasiteten øker ved lav temperatur Sorpsjonskapasiteter Vannvolum [L]

23 Infiltrasjonsevne Mettet hydraulisk konduktivitet, Ksat [cm/h] Sammenheng Metall-sorpsjon mellom øker infiltrasjonsevne, med økende mengde rense-evne for metaller, organisk temperatur materialet og i filtermediet løvkompost i filtermediet. sorpsjons-kapasitet [mg Cd per g filtermedia] Rense-evne for metaller Løvkompost Organisk materialet ift. sand i filtermedia i filtermediet (LOI) [%]

24 Overvåking av infiltrasjonsevne gjennom året i eksisterende regnbed

25 Overvåking av infiltrasjonsevne gjennom året i eksisterende regnbed Andel infiltrert Andel infiltrert [%]

26 Infiltrasjonsevne [cm/t] Overvåking av infiltrasjonsevne gjennom året i eksisterende regnbed Infiltrasjonsevne Andel infiltrert Andel infiltrert [%]

27 Enkel modellering av ytelse: Uttesting av design-formler Sammenlikning av modellert og observert vannvolum infiltrert for enkelt-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].

28 Observert infiltrasjonsvolum [m 3 ] Enkel modellering av ytelse: Formel med best 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 (regnvarighet + konsentrasjonstid) [t] Modellert infiltrasjonsvolum [m 3 ]

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

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

31 Forventet levetid Infiltrasjonsevne Gjentetting? Breakthrough (sand) Breakthrough (10% CVF) Kadmium Breakthrough (30% CVF) Breakthrough (50% CVF) Breakthrough (field) Contaminated soil classification 2 (moderate) Kobber Contaminated soil classification 2 (moderate) Breakthrough (sand) Breakthrough (10% CVF) Sink Breakthrough (30% CVF) Breakthrough (50% CVF) Breakthrough (field) Contaminated soil classification 2 (moderate) 1 år 10 år 100 år Forventet driftstid på regnbed (dybde på filtermedium = 22 cm) [år]

32 Saltforbruk i Norge

33 Konsentrasjon av sink i utløpet [mg/l] Tilsetning av overvann med høyt innhold av veisalt (NaCl) 1 mg Zn/L 0 mg NaCl/L Sink utløpskonsentrasjon Natrium-konsentrasjon Sink innløpskonsentrasjon Relativ konduktivitet Vannvolum [L] 0 mg Zn/L mg NaCl/L Relativ salt- og natrium-konsentrasjoner [ - ]

34 Konsentrasjon av sink i utløpet [mg/l] Gjennombrudd av salt (som konduktivitet) 1 mg Zn/L 0 mg NaCl/L Sink utløpskonsentrasjon Natrium-konsentrasjon Sink innløpskonsentrasjon Relativ konduktivitet Vannvolum [L] 0 mg Zn/L mg NaCl/L Relativ salt- og natrium-konsentrasjoner [ - ]

35 Konsentrasjon av sink i utløpet [mg/l] NaCl i vannet bidrar til å mobilisere metaller i filtermediet 1 mg Zn/L 0 mg NaCl/L Vannvolum [L] 0 mg Zn/L mg NaCl/L Relativ salt- og natrium-konsentrasjoner [ - ]

36 Konsentrasjon av sink i utløpet [mg/l] Na + -ioner bytter plass med Me 2+ -ioner Observasjoner: Andelen mobiliserte metaller avhenger av hvor mye metaller som var tilbakeholdt før salt-pulsen. 1 mg Zn/L 0 mg NaCl/L Sink utløpskonsentrasjon Natrium-konsentrasjon Sink innløpskonsentrasjon Relativ konduktivitet Organisk materialet holder bedre på metallene enn det sand gjør. Mengden mobiliserte metaller under gitte forhold er relativt beskjeden - toppkonsentrasjonene er imidlertid høye. Ved lav temperatur er mengden metaller og topp-konsentrasjonene Vannvolum halvert. [L] 0 mg Zn/L mg NaCl/L Relativ salt- og natrium-konsentrasjoner [ - ]

37 I tillegg til mobilisering av metaller forårsaker også NaCl utvasking av små partikler (kolloidal dipsersjon) som medfører gjentetting av filtermediet Overvann uten vegsalt (høst) Overvann med vegsalt (vår) Overvann uten vegsalt (sommer) 50% reduksjon av K sat

38 Observerer at prosessene forekommer i felt men i betydelig mindre grad og ikke avgjørende for funksjoner (infiltrasjon og rensing)

39 Distance [m] Distance [m] Observerer at prosessene forekommer i felt men i betydelig mindre grad og ikke avgjørende for funksjoner (infiltrasjon og rensing) Før NaCl Etter NaCl Intrinsic permeability Distance [m] Distance [m] ikke signifikant forskjell

40 Oppsummering 1. Filtermedie-sammensetningen (andelen løvkompost) er en viktig design-parameter som påvirker hovedfunksjoner (renseevne og infiltrasjon) 2. Lav temperatur begrenser ikke rensing av løste metaller men kan påvirke hydrologisk ytelse hvis infiltrasjonsevnen i utgangspunktet er lav 3. Vegsalt bidrar i noen grad til utvasking av metaller og organisk materiale langtids-effekter er ukjente Takk til Ray Hozalski, Joel Morgan, John Gulliver, forskningsgruppen ved University of Minnesota, TorOve Leiknes, Torstein Dalen, Mikael Bue, Tone Muthanna og Bent C. Braskerud 4. Det må forventes lang levetid mht. infiltrasjonsevne (under forutsetning av godt etablert vegetasjon) og mht. rensing av løste metaller

41 Takk for oppmerksomheten Takk til Ray Hozalski, Joel Morgan, John Gulliver, forskningsgruppen ved University of Minnesota, TorOve Leiknes, Torstein Dalen, Mikael Bue, Tone Muthanna og Bent C. Braskerud Huskeliste ved etablering av regnbed 1. Kartlegg vannveier for å finne egnet lokalitet. Velg tilstrekkelig avstand til bygninger. 2. Bestem nedbørsfeltets areal, gjennomsnittlig avrenningskoeffisient og dimensjonerende nedbørshendelse (mengde og varighet) iht. mål i 3-leddsstrategien. 3. Bestem maksimale vannhøyde, anta mettet hydraulisk konduktivitet og beregn overflateareal. 4. Vurder om stedegne masser har tilstrekkelig infiltrasjonskapasitet, eller om nytt filter og drenering må benyttes. 5. Benytt filtermedium med god infiltrasjonskapasitet for effektivt å håndtere overvann gjennom hele året. Vurder skråstilt drenslag og drensrør i kontakt med regnbedoverflate. 6. Gi regnbedet en form der vannet ledes over hele overflaten. Vurder forbehandling for tilbakeholdelse av partikler og søppel. 7. Benytt vegetasjon tilpasset lokalt klima. Vær bevisst på beplantningsstrategi. 8. Vann, gjødsle og fjern ugress til ønsket vegetasjon har etablert seg. 9. Vedlikehold regnbedet etter behov.

42 Referanser 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 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 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 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., Muthanna, T.M., Braskerud, B.C. (2016). The Hydrological Performance of Bioretention Cells in Regions with Cold Climates: Seasonal Variation and Implications for Design. Hydrology Research 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): 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):