Retrofitting combined sewer systems with nature-based solutions using long-term climate scenarios

Abstract

Urbane fellessystemer verden rundt står overfor kapasitetsbegrensninger og tilpasningskrav for å kunne møte fremtidige klimaendringer. Separering av avløp og overvann i tette urbane strøk er ofte kostbart, samtidig som det er begrenset med tilgjengelig areal for grønn infrastruktur. Naturbaserte løsninger som er direkte påkoblet fellessystemet kan gi økt fordrøyning og infiltrering for å redusere mengden overløp. Dette studiet etterforsker effekten av å montere naturbaserte løsninger for å redusere overløp i et område i Bergen, Norge. Langsiktige kontinuerlige simuleringer av fellessystemet ble brukt sammen med et omfattende sett av klimaprojeksjoner, til å modellere responsen på overløp. Nedbørsfeltet drenerer til Puddefjorden hvor det er ønsket badevannskvalitet.

Et geografisk informasjonssystem (GIS) ble brukt som verktøy for å identifisere potensielle plasseringer basert på et sett med kriterier, som for eksempel overflatehelning og avstand til omkringliggende konstruksjoner. Eksisterende sluk ble i dette tilfelle brukt som utgangspunkt for montering av prefabrikkerte regnbed direkte påkoblet fellessystemet. En eksisterende Storm Water Management Model (SWMM) ble brukt til å modellere nedbørsfeltet og vurdere effekten av regnbedene. Ytelsen ble målt i reduksjon av både volum og aktiveringsfrekvens av overløpene. Minimumskriterier for å oppnå tilstrekkelig ytelse ble i tillegg undersøkt.

Simulering av regnbedene resulterte i kun marginale reduseringer i både overløpsvolum og aktiveringsfrekvens. Prosentandel av nedbørsfeltet med implementert regnbed sammen med den hydrauliske belastningen viste seg å være kritisk for effekten av regnbedene. Undersøkelsen av minimumskriteriene antydet at overflatearealet til de prefabrikkerte regnbedene ikke var tilstrekkelig i forhold til arealet av nedbørfeltet, for å kunne oppnå tilstrekkelig ytelse. Et justert modelloppsett med økt overflateareal på regnbedene og økt hydraulisk belastning, men fortsatt under anbefalte retningslinjer, oppnådde en viss ytelsesøkning. Ytelsen fordelt over hele simuleringsperioden var i midlertidig fortsatt svært lav. Studiet underbygger hvor viktig det er å utføre grundige undersøkelser av både potensielle plasseringer og ytelse av naturbaserte løsninger, før de implementeres i et nedbørsfelt.

Urban combined sewer systems across the world face capacity constraints and adaptation requirements to prepare for a changing climate. In dense urban areas retrofitting by separation is often costly, and available space for green infrastructure is limited. Online nature-based solutions (NBS) can provide enhanced detention and retention to reduce combined sewer overflows (CSOs). This study explores the effect of retrofitting online NBS to reduce CSOs using the city of Bergen, Norway, as case study. A combined sewer system’s response was modelled using long-term continuous simulations (LTS) with an extensive set of climate scenarios. The case study catchment drains into the fjord Puddefjorden where bathing water quality is of concern.

A Geographical Information System (GIS) software was used as a preliminary tool to identify potential locations based on a set of criteria, such as surface slope and distance to surrounding structures. In this case, existing drains were targeted for retrofitting online prefabricated bioretention cells. An existing Storm Water Management Model (SWMM) was used for catchment modelling and assessing the effect on CSOs. The assessment criteria were based on reduction in both CSO volume and frequency. In addition, minimum criteria for achieving sufficient performance was investigated.

The study revealed marginal differences in reducing both volume and frequency of CSOs, post implementing bioretention cells. The percent of area implemented with NBS together with the hydraulic load, were found to be critical for the bioretention performance. The performance investigation implied that the prefabricated bioretention cells did not represent enough area within the sub-catchments to achieve sufficient performance. An adjusted model setup with increased bioretention surface area and hydraulic load, but still below suggested guidelines, achieved some performance increase. However, the reductions were small considering the simulation time period. This study substantiates the importance of thorough investigation of placement and potential performance of NBS prior to implementation.