Performance evaluation of a combined stormwater detention and reuse system - A case study from Trondheim, Norway

Abstract

Urbanisering og klimaendringer forårsaker utfordringer med overvann slik som høyere avrenningingsvolum og avrenningstopp. Ferskvann er i tillegg en begrenset ressurs mange steder på kloden. Derfor har det i urbane strøk de siste årene blitt ett fokus på gjenbruk av overvann til bruksområder som typisk ikke krever drikkevannskvalitet. På tomten til ZEB (Zero Emission Building) - laboratoriet, på Gløshaugen i Trondheim, har det blitt etablert ett pilot overvannssystem. Dette systemet kombinerer regnbed og permeable dekker med en overvannstank. Denne tanken har ett aktivt volum ment for gjenbruk, samt ett fordrøyningsvolum for å forsinke overvannet. Denne masteroppgaven evaluerer systemet relatert til overvannskontroll og diskuterer systemets muligheter i forhold til gjenbruk av overvann. For å gjennomføre dette blir systemet overvåket og modellert.

Vannnivået i tanken er overvåket for å evaluere systemets overvannskontroll. Denne overvåkningen avslørte at det er lekkasje fra tanken. I tillegg avslørte målingene, sammen med observasjoner, at utløpet i tanken ikke var riktig satt opp under konstruksjon. Dette begrenset analyseperioden på systemet.

For å modellere systemet er det laget en to-steg modell. Det første steget er en modul i U.S. EPA SWMM (Environmental Protection Agency Storm Water Management Model) som simulerer prosessen fra regn til vann inn til tanken. Denne modulen inkluderer blant annet regnbedene og det permeable dekket. Videre er det laget ett Python-script til å simulere vannbalansen i tanken. Dette er basert på prinsippene bak level-pool routing metoden og er laget slik at den håndterer både begrensende utløp og trekk til forbruk.

Simuleringer er gjennomført for å evaluere systemet på overvannskontroll både på kunstig genererte regnskyll og på historisk nedbørsdata. Resultatene indikerer at systemet vil prestere godt innenfor forventningene satt i prosjekteringsprosessen.

Det aktive volumet i tanken er på dette tidspunktet ikke tatt i bruk, ettersom utstyr som pumper og rør til dette ikke er installert. Derfor er det gjennomført simuleringer for å finne gjenbrukskapasiteten til systemet. Perioder med lite nedbør begrenser mengden vann som alltid vil være tilgjengelig for gjenbruk. Likevel, hvis det aksepteres at mengden vann ikke vil være tilgjengelig til enhver tid, kan tanken levere 2000 l/dag med over 70% dekning. Vanning og vann til sykkelvask ser ut som de mest sannsynlige bruksområdene for det aktive volumet. Disse forbruksområdene er imidlertidig svært variable og årstidsavhengig, noe som kan begrense effektiviteten. Toalett spyling er normalt en stor andel av vannforbruket i kontor/undervisnings bygninger. Simuleringer indikerer at tanken kan levere vann til toalettspyling med 90% dekning. Likevel, implementering av tankvann til toalettspyling vil sannsynligvis innebære en betydelig innstalleringskostnad. Hvilke gjenbruksformål som skal benyttes for systemet må til slutt bestemmes av personer tilknyttet ZEB-laboratoriet.

Urban stormwater systems typically experience multiple challenges because of urbanization and climate change, such as higher runoff volumes and peak flow. In addition, potable water is limited in many areas around the globe. In later years, stormwater reuse has gained popularity in urban areas to enable the use of stormwater for typically non-potable water uses. In this context, a pilot stormwater management system has been constructed at the Zero Emission Building (ZEB) site at Gløshaugen in Trondheim, Norway. The ZEB-pilot combines bioretention cells and a permeable pavement with an underground stormwater tank. This tank has the possibility for multiple-use, with an active volume for reuse as well as a detention volume for larger storm events. This master’s thesis evaluate the performance of the ZEB stormwater management system related to stormwater control and discuss reuse opportunities for the system. To accomplish this, performance data is collected, and the system is modeled.

The water level in the tank is monitored to evaluate the stormwater detention performance. The monitoring and observations revealed leakage from the tank, as well as a misconfiguration of the outlet. This shortened the period with correct data to analyse.

To model the stormwater system, a two-step model is created. A rainfall-runoff module developed in U.S. EPA SWMM (Environmental Protection Agency Storm Water Management Model) simulates the process from rainfall to tank inflow. In this module, the catchment is created, and the bioretention cells and permeable pavement are included. Further, a behaviour storage module based on the level-pool routing method simulate the water balance in the tank. This module handles both orifice outflow and demand.

Simulations are carried out both on design events and long-term historical data to analyse the stormwater control potential of the system. Results indicate that the system is predicted to perform well within the design expectations by effectively providing detention for high precipitation events.

The active volume available for reuse is at this point not utilized, as equipment such as pumps and pipes is not installed in the tank. Simulations are therefore carried out to find the reuse potential of the system. Variability in rainfall is found as a defining factor limiting the amount of water that can be covered at all times. However, if accepted that water will not be available at all times, results indicate the tank can provide 2000 l/day with above 70% coverage. Irrigation and bike washing are identified as the most likely implementations. Even so, the seasonal variations of these purposes may limit the effectiveness of such implementations. Toilet flushing is a large non-potable consumption in office/education buildings. The ZEB laboratory is roughly estimated to require 1400 l for toilet flushing on workdays. Simulations indicate that the tank can cover 90% of the toilet flushing in the ZEB laboratory. However, the implementation of reuse water for toilet flushing may require expensive installations. Stakeholders must eventually decide what reuse purposes to implement at the ZEB laboratory site.