Infiltration based systems for stormwater management with multipurpose use

Abstract

Overvannsproblematikk grunnet klimaendringer og stadig utvikling av urbane områder er en voksende utfordring rundt om i verden. Dette har ført til økende behov for bærekraftige løsninger for overvannshåndtering, og interessen for flerbrukssystemer er økende. Infiltrasjonsbaserte systemer reduserer det totale volumet av overvannsavrenning, men til tross for økt popularitet er langtidsfunksjonaliteten uviss.

Denne masteroppgaven omhandler et pilotprosjekt med mål om å finne hvorvidt infiltrasjonskapasitet kan estimeres ved hjelp av kontinuerlig overvåkning av ulike hydrologiske aspekter kombinert med nåværende kunnskap om lokale grunnforhold. Piloten, som befinner seg på det nylig oppgraderte Torvet i Trondheim, kombinerer infiltrasjon og fordrøyning i et system designet for å avlaste det lukkede nedstrøms rørsystemet. Innsamlet måledata ble prosessert og senere analysert. Styrker og svakheter ved det etablerte målesystemet ble vurdert med hensyn til infiltrasjonsovervåkning og forslag til framtidige forbedringer ble diskutert.

Omfattende dataanalyse har vist vesentlige uoverensstemmelser. Selv etter prosessering er svakhetene ved dataseriene tydelige. Unøyaktige inndata, derav inn- og utstrømming, har ført til usikre infiltrasjonsberegninger som periodevis er vesentlig lavere enn forventet. Innstrømming ble målt med en støyutsatt areal-hastighetsbasert vannmåler hvor nivået for null strømning var feil. Utstrømming ble beregnet fra formelverk basert på trykkhøyde som var svært unøyaktig for lave vannivåer. Å montere en vannmåler på nedstrøms side av anlegget kan bedre kvaliteten av utstrømmingsdata. Ellers kan datakvalitet forbedres ved å forsikre at måleinstrumentene er riktig kalibrert og skjermet fra ytre forstyrrelser.

Mangelen på lokal nedbørsdata og det omtrentlige tilrenningsarealet er to vesentlige svakheter ved studien som gjorde sammenlikning med annen måledata utfordrende. Derfor bør montasje av en nedbørsmåler nærmere anlegget prioriteres i framtidig arbeid. Måledata viser imidlertid at fordrøyningsbassengene sjelden ble utnyttet og at mengden lagret overvann var liten selv for større nedbørshendelser. Likevel er det uvisst hvordan fordrøyningsbassengene vil opptre ved store regnmengder, siden måleutstyret ble installert på et senere tidspunkt i studien.

Studien fastsetter at infiltrasjonskapasitet til en viss grad kan bli anslått basert på måledata og kjente grunnforhold, men uten stor nøyaktighet. Derfor anbefales det at de foreslåtte forbedringene av målesystemet implementeres i forkant av videre arbeid med piloten slik at bedre datakvalitet oppnås. Dette kan være et viktig element i bekreftelsen av den antatte infiltrasjonskapasiteten og være nyttig i analyser av systemets langtidsfunksjonalitet.

Stormwater challenges as a result of climate change and continued urban development is a growing concern around the world. This has created an increasing need for sustainable stormwater management (SWM) solutions, and the interest in multipurpose use systems is growing. Infiltration based systems reduce the overall volume of stormwater runoff, but despite the growth in popularity their long-term functionality is uncertain.

This thesis studied a pilot project with the objective of finding the extent that infiltration capacity can be estimated through continuous online monitoring of various hydrological aspects accompanied with current knowledge on local soil conditions. The pilot, located on the newly upgraded Trondheim town square, combines infiltration and detention in a design aimed to reduce the load on the downstream piped network. Following data processing, a preliminary analysis of the data series was performed. The strengths and weaknesses of the established system with respect to infiltration monitoring were analysed and suggestions for future improvements discussed.

Thorough data analysis has shown that there are substantial inconsistencies. Even after processing, imperfections in the data series are apparent. Inaccurate input variables, thereby inflow and outflow, has resulted in uncertain infiltration calculations that periodically are substantially lower than expected. Inflow was measured using an areavelocity flow meter that was subject to noise and had an incorrect threshold for zero flow. Outflow was determined from calculations based on pressure head that were highly uncertain for low water levels. Installing a flow meter on the downstream end of the facility may better the quality of outflow data. Otherwise, data quality may be improved by ensuring sensors are correctly calibrated and shielded from external disturbances.

The absence of local precipitation data and the approximate drainage area are significant limitations to the study that made comparison to the measured data on site intricate. Thus, installing a rain gauge closer to the study site should be a priority in future work. Moreover, data show that the detention basins were rarely utilized and that even for moderately sized rainfalls the amount of stored water was small. However, since the divers used for water level monitoring were installed at a later stage of the study, basin performance during heavy rainfalls is still uncertain.

The study concludes that infiltration capacity can to some extent be estimated from measured data and soil properties, but not with great accuracy. It is therefore recommended that the suggested modifications of the monitoring system are implemented prior to continued research to ensure that high data quality is obtained. This may be a key element when verifying the proposed infiltration capacity of the stormwater facility and be useful in analysis of its long-term functionality.