Locatelli, Luca

Alternative metoder til håndtering af regnvand i byer, ofte benævnt som LAR (Lokal Afledning af Regnvand), bliver implementeret i stigende grad, fordi de forventes at kunne reducere oversvømmelser, styre afstrømning, forbedre vandkvalitet og erstatte drikkevand ved f.eks. tøjvask og havevanding. LAR-elementer er ofte små, decentraliserede enheder der håndterer regnvandet tæt på hvor det falder. Disse enheder interagerer med byens vandkredsløb og påvirker fordampningen, afstrømningen og nedsivningen til grundvandet. Kvantificering af disse påvirkninger for større byområder kræver komplekse og ressourcetunge modeller. Derfor er der brug for nye modelværktøjer. Disse værktøjer skal være simple nok til at kunne beregnes hurtigt, samtidig med at de leverer en tilstrækkelig beskrivelse af den hydrologiske respons som LAR-elementer forårsager. Værktøjerne skal både kunne simulere effekten af enkeltstående Lar-elementer såvel som koblinger af forskellige typer LAR-elementer. Det overordnede formål med denne afhandling har været at udvikle nye modelværktøjer for to LAR-teknologier: grønne tage og faskiner. De specifikke mål med projektet var, at:1. Identificere og udvikle nye modeller for grønne tage og faskiner, der er passende til formålet (håndtering af regnvand i byer), og integrere de nye modeller i modeller for urban hydrologi.2. Kvantificere den langsigtede hydrologiske effekt af grønne tage og faskiner ved hjælp af statistisk analyse af resultater fra langtidssimuleringer med de nye modeller. 3. Modellere vekselvirkningen mellem infiltrationsbaserede LAR-elementer og grundvandet. 4. Evaluere en ny kombination af LAR-elementer.5. Modellere effekten af en omfattende implementering af forskellige infiltrationsbaserede LAR-elementer i et stort opland.6. Teste modellerne ved at sammenligne simuleringsresultater med observerede data for henholdsvis enkeltstående LAR-elementer og omfattende implementering af LAR-elementer i et stort opland. Disse mål er opnået ved at udvikle nye modeller for grønne tage og faskiner og teste dem mod observationer fra flere forskellige urbane oplande. Modellerne blev anvendt til at kvantificere den hydrologiske effekt af enkeltstående LAR-elementer som er relevant ift. håndtering af regnvand i byer. Desuden blev modellen for faskiner koblet med en model for forsinkelse for at undersøge fordelene ved at kombinere forskellige LAR-elementer. Modellerne blev derefter integreret i afløbssystemsmodeller og grundvandsmodeller for at undersøge effekten af nedsivning og lokal forsinkelse af regnvand på afløbssystemer og grundvandsstrømninger. Resultaterne viser at faskiner og grønne tage kan nedsætte den årlige regnvandsafstrømning signifikant. Afstrømning fra grønne tage svarer til 43-68% af den årlige nedbør, mens afstrømning fra faskiner svarer til 0-62% af den årlige nedbør. Vi har også kvantificeret reduktionerne i maksimal afstrømning og i afstrømmet volumen under enkelthændelser som funktion af hændelsens gentagelsesperiode. Afsættelse af en del af faskiners volumen til forsinkelsesformål giver en signifikant forbedring af deres evne til at reducere maksimal afstrømning under enkelthændelser, uden at reducere signifikant deres effekt på den årlige vandbalance. Vi har kvantificeret reduktionerne i maksimal afstrømning og i afstrømmet volumen under enkelthændelser som funktion af forskellige kombinationer af volumen til hhv. nedsivning og forsinkelse. Nogle af kombinationerne var tilstrækkelige til at fjerne problemer med opstuvning til terræn ved en 10-års regn i et mindre opland. Vi har også kvantificeret den hydrologiske effekt af faskiner der interagerer med grundvandet. Vi har estimeret en kritisk afstand mellem faskine og grundvandsstand, der kan bruges til at klassificere hvornår en faskines effekt bliver påvirket af grundvandet. Den kritiske afstand afhænger af jordtypen og faskinens volumen. I lerjord, f.eks. skal faskinen ligge mere end 11-12 m over grundvandsspejlet for at være fuldt effektive. Omfattende implementering af nedsivningsbaserede LAR-elementer forårsager øget grundvandsdannelse og øget risiko for uønsket stigning af grundvandsstanden i områder med højtliggende grundvand. Vi har kvantificeret stigningen i tilfælde af grundvand der stiger op på terræn i et caseområde ved at benytte en integreret hydrologisk model for oplandet, som blev kalibreret mod observationer fra området. Modellen viser også at effektiviteten af eksisterende nedsivningselementer påvirkes af ændringer i arealanvendelse i andre dele af oplandet. LAR-teknologier er nyttige til håndtering af regnvand i byer, og de modeller vi præsenterer i denne afhandling kan hjælpe med at forudsige deres hydrologiske effekt. Det er dog vigtigt at gennemtænke designet af LAR-teknologier for at opnå optimal effekt og for at undgå uønskede effekter som forhøjet grundvandsstand.Alternative stormwater management approaches for urban developments, also called Water Sensitive Urban Design (WSUD), are increasingly being adopted with the aims of providing flood control, flow management, water quality improvements and opportunities to harvest stormwater for non-potable uses. WSUD structures (WSUDs) are typically small, decentralized systems for managing stormwater runoff near the source. These systems interact with the urban hydrological cycle, modifying the evapotranspiration, runoff and groundwater recharge fluxes. It is challenging to quantify these hydrological changes because of the cost and complexity of modelling multiple WSUD systems in larger scale urban catchments. For this reason, new modelling tools are needed. These tools must be simple enough to be computationally efficient, while still describing the observed hydrological responses of urban catchments. The models must be able to simulate both the response of single WSUDs and many coupled WSUDs in an urban catchment.This thesis aims to develop new models of two WSUD technologies: green roofs and infiltration trenches/soakaways. In particular the thesis has the following objectives: 1. To identify and develop new models of green roofs and infiltration devices relevant for urban drainage applications, and integrate them into urban hydrological models.2. To quantify the long term hydrological performance of green roofs and infiltration devices using a statistical analysis of WSUD performance.3. To model the interaction of infiltration based WSUDs with groundwater.4. To assess a new combination of different WSUD techniques for improved stormwater management.5. To model the impact of a widespread implementation of multiple soakaway systems at the catchment scale.6. Test the models by simulating observed data describing the performance of single WSUD units, and the performance of multiple systems at a catchment scale.To address these aims, new models of green roofs and soakaways are developed and tested using observations from several urban catchments. The models are used to quantify the hydrological performance of single devices relevant for urban drainage applications. Moreover, the coupling of soakaway and detention storages is also modeled to analyze the benefits of combining different local stormwater management systems.These models are then integrated into urban drainage network models and groundwater models in order to analyze the impact of stormwater infiltration and local detention on drainage networks and groundwater flows. Results show that soakaways/infiltration trenches and green roofs significantly reduce annual stormwater runoff. Annual runoff from green roofs is 43-68% of the incoming rainfall and 0-62% for soakaways. Peak flow and volume reductions during single events are also quantified as a function of the return period.Using a part of a soakaway as detention storage significantly improves its ability to reduce single event peak runoff without significant changes to its annual performance. Peak flow and annual runoff reductions are quantified for different soakaway and detention volume combinations. These systems also avoid problems of sewer network surcharge in a small catchment during a 10 year return period event.The thesis quantifies the hydrological performance of infiltration devices interacting with groundwater. A threshold distance between infiltration devices and groundwater is estimated in order to classify whether infiltration devices are affected by groundwater or not. The threshold distance is determined as function of the soil hydraulic conductivity and the storage volume of the infiltration device. For instance, it is shown that in clay soils, infiltration trenches must be more than 11-12m above the water table if they are to be fully effective.Widespread stormwater infiltration leads to increased groundwater recharge and the risk of groundwater flooding in areas with shallow groundwater. The increased occurrence of groundwater seepage above terrain is quantified in a case study by a catchment hydrological model that is calibrated to observations. Moreover, the performance of existing stormwater infiltration systems is affected by landuse changes in other parts of their catchment. These changes were quantified for the case study by a model and observations over a 20 year period. It was shown that urbanization with widespread stormwater infiltration increased the risk of groundwater flooding.WSUDs are useful technologies for controlling urban stormwater runoff and the models presented in this thesis can help by simulating their hydrological impact. Careful engineering design is required to ensure that optimal results are achieved and to avoid unexpected outcomes such as increased groundwater flooding.<br/

Online Research Database In Technology

Modelling the impact of Water Sensitive Urban Design technologies on the urban water cycle

http://orbit.dtu.dk/ws/files/118475547/Luca_Locatelli_PhD_thesis_WWW_Version_1_.pdf

Modelling the impact of Water Sensitive Urban Design technologies on the urban water cycle

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology