Bentzen, Thomas Ruby

Projektet omhandler en undersøgelse af stof- og vandtransport under regn igennem afvandingssystemet for motorveje. Målet er at identificere metoder og modeller til at give en beskrivelse af de stof- og vandstrømme som sendes videre fra vejenes afløbssystem til omgivelserne samt at anvende disse modeller med henblik på at opnå viden til brug for forbedret dimensioneringspraksis for disse systemer, således at forureningspåvirkningen af omgivelserne evt. kan reduceres. Samarbejdsprojektet med Vejdirektoratet har udgangspunkt i lovene vedrørende anlæg af nye motorveje og motortrafikveje henholdsvis ved Herning, mellem Odense og Svendborg og mellem Holbæk og Vig, hvor der i henhold til bemærkningerne til lovene skal iværksættes de her omtalte undersøgelser for de nye vejstrækninger.Der knytter sig særlige problemer når det gælder om at forudsige forureningsbelastningen fra regnbetingede afstrømninger fra vejsystemer. Hovedproblemet er, at regnens intensitet er meget varierende hvilket medfører at afstrømningen ligeledes varier stærkt i tiden. Derfor er det er i praksis umuligt ud fra enkelte målinger, at forudsige, hvad de gennemsnitlige årlige forhold er. Den metode, som har vist sig at være den mest effektive, til at overkomme problemet med den tidsmæssige variation er at foretage et såkaldt hindcast, hvor man ud fra en database med mange års regnmålinger (historiske regn) simulerer det præcise afstrømningsforløb af samtlige regnhændelser. Ud fra disse resultater kan så de gennemsnitlige årlige værdier beregnes. Denne metode er efterhånden blevet almindelig praksis ved beregning af kommunale afløbssystemer. Imidlertid er tredimensionelle beregninger meget beregningstunge. Igennem projektet er det forsøgt via hændelses baserede tredimensionelle modeller at danne en forståelse af de styrende parametre for primært stoftilbageholdelse, for herigennem at kunne fastlægge metoder til den almindelige dimensionering af afvandingssystemer for motorveje.Undersøgelsen omfatter primært forureningskomponenter på partikulær form og omfatter polycycliske aromatiske hydrokarboner (PAH), fraktioner af hydrokarboner (benzen → tunge olier) samt tungmetallerne bly, cadmium, kobber, krom, nikkel og zink pga. af deres hyppige forekomst i vejvand og deres negative miljømæssige effekt.Der udføres detaljerede målinger på vand og stoftransporten i afløbssystemet på en udvalgt lokalitet ved rute 9, Svendborg - Odense samt otte andre våde bassiner i Danmark. Der etableres et specielt forsøgsbassin, som er mindre end de normale bassiner. Forsøgsbassinet udformes som en kanal udført i beton, hvori der foregår en ensformig todimensional strømning i én retning. Kanalens længde er 30 m, bredde 0,8 m og dybde 1,2 m. Herved opnås de mest veldefinerede forhold i relation til måling af hvorledes det partikulære stof sedimenterer ud på bunden. Resultaterne fra forsøgsbassinet overføres til de virkelige bassiner, hvor strømningen er tredimensional, via numeriske modeller. Det partikulære stof analyseres i laboratoriet for fordeling af sedimentationshastighed på kornstørrelsesfraktioner og de enkelte fraktioner analyseres for forureningskomponenter. Desuden foretages erosionsforsøg (resuspension) i laboratoriet med strøm og bølger.Overordnet set viser dette studie at størstedelen af den tilførte masse af partikel bundet forurening akkumuleres i de danske regnvandsbassiner. Effektiviteten for tilbageholdelse antager en værdi i størrelsesorden af 80 %. En vigtig parameter i forbindelse med tilbageholdelsen af partikulært stof er vinden forstået således at roligt vand tilbageholder mere stof end uroligt vand. Vindens påvirkning af bassinerne kan reducere effektiviteten kraftigt og endda forårsage en negativ effektivitet grundet resuspension af allerede sedimenteret forureningspartikler.Der er opsat en endimensional transportmodel som kan beskrive:1. Opbygningen af forurening på vejoverflader2. Fjernelsen af forurening pga. regn3. Transporten af vand og forurening gennem afløbssystemer til regnvandsbassinerDenne model kan anvendes over flere år med f.eks. historiske nedbørsdata og kan således anvendes til forudsigelse af belastningen af regnvandsbassinerne både med hensyn til stof og vand.Der er opsat en tredimensional transportmodel for bassinerne som kan beskrive:1. Transporten af vand, opløst stof og partikulært stof i bassinerne under vilkårlige nedbørshændelser og vind generede strømninger og bølger.Den tredimensionale model er et essentielt stykke værktøj i forbindelse med evaluering af både eksisterende og planlagte bassiners evne til stoftilbageholdelse og der vurderes om der på grundlag af resultaterne herfra kan opstilles en forsimplet endimensional model til brug for langtidsberegningerne.This PhD study deals with issues related to water and pollutant transport from highway surfaces caused by rain. It is essential in the study to apply methods and models in which improvements in relation to removal of pollutants can be identified and to be able to predict the yearly discharges of heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons from an arbitrary detention pond to the natural environment. The present thesis is a part of a co-operation between the Danish Road Directorate (Vejdirektoratet) and Aalborg University and is founded in the Danish construction act for new highways and expressways by Herning, between Odense and Svendborg and between Holbæk and Vig. Special problems occur, when it comes to prediction of pollutant load from road runoff. One of the main problems is that the temporal varying intensity of the rain causes high variation of the runoff. Hence it is impossible from few measurements to predict annual pollutant loads from the runoff. The method that has been shown to be the most effective for coping with the time variation in the rain is a so-called hindcast where several years of measured rain are used for simulating the exact variation in runoff from every single rain event. From the hindcast results it is possible to calculate mean water and pollutant loads. This method is commonly used in urban drainage systems for capacity analysis or for prediction of CSO's.The challenge is to develop a simplified and still accurate description of flow and transport of pollutant adequate for the long-term simulation of the pollutant transport from highways caused by rain. Because of the strong non linearity in the processes involved it is obvious that methods based on simple average concentrations cannot be applied when it comes to removal of particles in ponds. Measurements of water and pollutant transport are carried out in different highway systems. A geometrically well-defined test pond is established, wherein the deposition of particulate matter can be measured. The result from the test pond is transferred to real detention ponds in which the three-dimensional flow is described with a numerical CFD model. The particulate matter is analysed for grain size distributions, settling velocity distributions and corresponding heavy metal and PAH concentration. Erosion/resuspension experiments for detention pond sediments are carried out in the laboratory with currents and waves.In general the study shows that the bulk of hydrocarbons, PAH's and heavy metals accumulate in detention pond sediments and the removal efficiency for particulate matter in the detention ponds is around 80 %. An important parameter for retention of particulate matter in Denmark is the wind - in that way, that calm water expedites the settling process contrary turbulent water. The impact from the wind can reduce the pollutant removal efficiency significant and even result in negative efficiencies due to resuspension of already settled particulate matter.In the study a well calibrated one-dimensional transport model has been set up for describing the:1. The build up of particulate pollution on highway surfaces.2. The removal of particulate pollution on highway surfaces due to rain.3. The transport of water and particulate pollution through the drainage system to the connected detention ponds.This model can be used for prediction of event loads on detention ponds for several years.Likewise a well calibrated three-dimensional transport model has been set up for describing the:1. The transport of water, dissolved and particulate pollutants in wet detention ponds during arbitrary runoff events including the impact from wind and waves on the transport mechanisms.The pond model is an essential tool for evaluating the ability of removal of particulate matter in existing and planned pond.</p

Accumulation of Pollutants in Highway Detention Ponds

http://vbn.aau.dk/ws/files/16665645/Accumulation_of_Pollutants_in_Highway_Detention_Ponds

Accumulation of Pollutants in Highway Detention Ponds

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

VBN