Modelling of stormwater measures and performance evaluation of underground detention basins

Abstract

Effekten av klimaendringer, hyppigere ekstremnedbør og urbanisering, fører til utfordringer for dagens avløpsnett. For å være bedre forberedt for slike hendelser i fremtiden, har flere norske kommuner utarbeidet retningslinjer for overvannshåndtering. Som en følge av dette, bygges det flere fordrøyningsmagasiner hvert år i Norge. Det er mangel på kunnskap knyttet til disse magasiners effekt på kapasiteten til ledningsnettet, samt overløpsdrift. Dette er hovedgrunnlaget for denne masteroppgaven, hvor effekten av fordrøyningsmagasiner og lokale overvannsløsninger (LOD) er undersøkt for en ekstremhendelse og et gjennomsnittsår. En allerede kalibrert modell i MIKE URBAN, gitt av DHI, ble brukt til simulering av et avløpsfelt knyttet til Fagerheimsbukta i Trondheim. Hovedmålet med denne masteroppgaven er å undersøke effekten av ulike overvannsløsninger, i tillegg til en evaluering av dagens retningslinjer for overvannshåndtering i Trondheim kommune.

Modellen over Fagerheimsbukta ble ombygget med nye delfelt knyttet til eksisterende bebyggelse og infrastruktur. Omtrent samtlige delareal ble etablert med stikkledninger og kummer og videre tilkoblet eksisterende ledningsnett. Tre scenarier ble definert, basert på dagens situasjon, samt situasjoner med implementerte fordrøyningsmagasiner og regnbed. Overvannsløsningene ble utformet basert på dagens retningslinjer for Trondheim kommune, i tillegg til andre anbefalinger fra relevant litteratur. Ulike situasjoner med 50% og 100% implementeringsgrad av overvannsløsninger i forhold til totalt antall delfelt ble simulert.

Scenariene med implementerte overvannsløsninger førte til en generell reduksjon i flomrisiko, samt reduksjon i overløpsdrift sammenlignet med dagens situasjon. Simuleringen av ekstremhendelsen for fordrøyningsmagasiner viste en økning i varigheten av overløpsdriften, noe som førte til en begrenset reduksjon i overløpsvolum. Samtidig ble det under simuleringen av ekstremhendelsen oppnådd en større reduksjon i overløpsvolum for situasjonen av 50% fordrøyningsmagasiner sammenlignet med 100% implementering, med en reduksjon på 5,2% og 4,4% for de respektive scenariene. Dette er et resultat av en generell reduksjon i maksimum overløpsutslipp i kombinasjon med en økning i varigheten, noe som fører til en relativt liten endring i overløpsvolumet. Scenariene med implementerte regnbed førte til store reduksjoner i overløpsdrift. Disse resultatene er påvirket av begrensninger i modellen som førte til store forenklinger ved implementeringen av regnbed i MIKE URBAN. Dette påvirket dens evne til å illustrere virkeligheten, noe som gjenspeiles i resultatene for simuleringene av regnbed i denne masteroppgaven.

Effekten av fordrøyningsmagasiner under en ekstremhendelse ble analysert, hvor resultatene fra simuleringene viste en maksimum vanndybde lik 0,6 meter. Dette tilsvarer halvparten av maks kapasitet. Det ble ikke funnet noen sammenheng mellom dagens designkriterier og vannstanden i magasinene. Det anbefales videre undersøkelser av fordrøyningsmagasiners kapasitetsutnyttelse og evne til reduksjon i overløpsdrift for videre evaluering av dagens designkriterier og retningslinjer. I tillegg anbefales videre undersøkelser av funksjoner for implementering av regnbed i MIKE URBAN, for å kunne oppnå resultater som gjenspeiler virkeligheten på en mer tilfredsstillende måte.

Climate change, urbanization and an increased amount of paved surfaces lead to challenges to the existing sewer system. To be better prepared for such events, several municipalities in Norway has made their guidelines for stormwater management. As a result of these guidelines, several detention basins are being built every year. There is a lack of knowledge related to their performances on the capacity of the sewer system and CSO discharges. This is the main background of this master thesis, where the performance of detention basins and Low Impact Development (LID) controls were investigated for an extreme rainfall event in addition to an average year of rainfall data. An already calibrated model in MIKE URBAN, given by DHI, was used for the simulations of a catchment area of Fagerheimsbukta in Trondheim. The main objectives of this master thesis are to investigate the effects of stormwater management practices, in addition to an evaluation of today’s guidelines for stormwater management in Trondheim municipality in relation to the performances of underground detention basins.

The model of Fagerheimsbukta was rebuilt with new sub-catchments concerning existing development. Approximately all catchments were designed for the implementation of stormwater practices, with the establishments of service pipes and manholes which were connected to the existing sewer system. Three scenarios were defined, concerning today’s situation, and implementation of detention basins and bioretention cells. The stormwater practices were designed based on today’s guidelines of Trondheim municipality and other recommendations from literature. Different degrees of implemented stormwater practices were simulated, concerning 50% and 100% establishment of stormwater controls based on the total amount of sub-catchments.

The implemented stormwater practices led to an overall decrease in the risk of flooding in addition to a reduction of CSO discharges compared with today’s situation. However, the scenarios with implemented detention basins show an increase in the duration for the simulation of the extreme rainfall event, which leads to a minimal reduction in the accumulated volume of CSO discharges. Moreover, a larger CSO volume reduction was obtained by the simulations of the extreme event of 50% implemented detention basins in comparison to 100% implementation of basins, with a reduction of 5,2% and 4,4% for the respective scenarios. This is a result of a combination of a general decrease in the maximum CSO discharge and an increase of the duration of the event, which leads to small changes in the accumulated CSO volume. Furthermore, the scenarios including implemented bioretention cells led to a large decrease in CSO discharges. However, limitations of defining different soil layers with its respective parameters for the implementation of bioretention cells in MIKE URBAN affected the availability of the functions to replicate the physical reality, which is illustrated in the results of this thesis.

Performances of the detention basins during an extreme rainfall event were analysed, where a maximum water depth of 0,6 meters was obtained, corresponding to half of its capacity. No relation between the basins water level and the input of today’s design criteria was found in this thesis. Further investigation of the detention basins performances on CSO reduction and its capacity utilization should be done in order to evaluate the design criteria of today’s guidelines. Furthermore, an investigation of other methods for LID implementation in MIKE URBAN should be done to obtain a better reflection of reality.