Modelling of a Combined Infiltration and Detention Solution with Investigation of System Performance

Abstract

Befolkningsvekst og urbanisering i kombinasjon med global oppvarming er drivende faktorer for utviklingen av et nytt tankesett innen overvannshåndtering. De eksisterende konvensjonelle avløpssystemene strekker ikke til i håndtering av den forventede økningen i overvannsmengder. Dette kan føre til økt forekomst av overløpsdrift av kloakk og overvann, i tillegg til urbane flommer. Lokale overvannsløsninger (LOD) har fått økt oppmerksomhet ettersom de gjenoppretter naturlige hydrologiske prosesser som forsinker og reduserer overvannvanns avrenningen. LOD er imidlertid funnet til å ikke være tilstrekkelig for håndtering av de største nedbørshendelene. Med mål om en overvannsløsning som er tilstrekkelig til å håndtere alle nedbørshendelser, og samtidig være motstandsdyktig mot global oppvarming og urbanisering, har fenomenet å kombinere LOD og konvensjonelle fordrøynings baserte løsninger oppstått. Imidlertid mangler det kunnskap om den langsiktige oppførselen til kombinerte systemer.

Denne masteroppgaven studerte oppførselen til en fullskala kombinert infiltrasjons- og fordrøyningsløsning i sentrum av Trondheim, Norge. En modell av overvannsanlegget ble utviklet i SWMM. Modellen inkluderte også oppstrøms nedslagsfelt. Videre ble den utviklede SWMM-modellen evaluert gjennom kalibrering og validering ved bruk av Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE). Basert på den kalibrerte modellen ble det laget fem modellscenarier for å vurdere oppførselen av det kombinerte systemet mot oppførselen til infiltrasjon og fordrøyning i separate prosesser. Både hendelsesbaserte og kontinuerlige simuleringer ble kjørt på modellscenariene. De kontinuerlige simuleringsresultatene av scenariene ble vurdert ved bruk av varighetskurver.

De hendelsesbaserte simuleringene viste samspillet mellom infiltrasjon og fordrøyning. Infiltrasjonsprosessen viste seg å holde tilbake overvann, og forsinket derfor avrenning inntil infiltrasjonskapasiteten var nådd. Overskredet infiltrasjonskapasitet førte til aktivering av fordrøyningsbassengene, som sørget for utslipp av overvann i lavere hastighet over lengre tid. Varighetskurvene for de langsiktige simuleringene viste at det kombinerte systemet med infiltrasjon og fordrøyning var en vellykket implementering ettersom det dro nytte av begge prosessene. Fordrøyning sørget for reduksjon av flomtopp, og infiltrasjon sørget for reduksjon av tid hvor vannstrømning ut av systemet ble simulert. Implementeringen av det kombinerte systemet reduserte flom toppene med 45,6% og 37,4% for henholdsvis uten og med klimafaktor. Videre ble antall timer for simulert utstrøm redusert med 99,96% og 99,91% for henholdsvis uten og med klimafaktor.

Kombinerte overvannssystemer er ennå ikke implementert i stor grad, spesielt kombinasjoner som bruker infiltrasjonsrør. En designretningslinje for design av infiltrasjonsrør ble satt opp basert på den utviklede SWMM-modellen for å øke anvendeligheten av kombinerte overvannssystemer for kommuner og konsulenter. Denne oppgaven konkluderer med at kombinasjonen av infiltrasjon og fordrøyning er en vellykket moderne overvannstrategi, da den øker motstandsdyktigheten mot global oppvarming og urbanisering ved å redusere flomtoppene og varighet av generert utstrøm.

Population growth and urbanization in combination with global warming are driving factors for the development of a new mindset within the field of stormwater management. The existing conventional drainage systems are inadequate in handling the expected increased stormwater amounts, potentially resulting in combined sewer overflows (CSOs) and urban flooding. Low impact developments (LIDs) have gained increased attention as they are found to restore pre-developed hydrological processes by delaying and reducing the stormwater peak flows. However, LIDs are found not to be sufficient in handling the largest precipitation events. To create a stormwater management solution adequate in handling all storm events, and at the same time have a resilience factor against global warming and urbanization, the phenomenon of combining LIDs and conventional detention-based solution has risen. However, knowledge in regard to the long-term performance of combined systems is lacking.

This master thesis studied the performance of a full-scale combined infiltration and detention solution in the city center of Trondheim, Norway. A model of the stormwater facility was developed in SWMM, including the sub-catchments draining to the upstream storm inlets. Further, was the developed SWMM model evaluated through calibration and validation using Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE). Based on the calibrated model, five model scenarios were created to assess the performance of the combined system against the performance of infiltration and detention in separate processes. Both event-based and long-term continuous simulations were run on the model scenarios. The long-term simulations of the scenarios were investigated using flow duration curves (FDCs).

The event-based simulations showed the interaction between infiltration and detention. The infiltration process showed to retain stormwater, hence delaying the start of outflow generation until infiltration capacity was reached. Exceeded infiltration capacity led to activation of the detention basins, which ensured the release of stormwater at a lower rate over a longer time span. The FDCs for long-term simulations showed that the combined system of infiltration and detention was a successful implementation as it benefited from both processes. Detention ensured reduction of peak outflow, and infiltration ensured reduction of time generating outflow. Implementation of the combined system reduced peak outflow with 45.6% and 37.4% for respectively without and with climate factor. Further, the number of hours simulating outflow was reduced with 99.96% and 99.91% for respectively without and with climate factor.

Combined stormwater systems are not yet widely implemented, especially combinations using infiltration pipes. A design guideline regarding infiltration pipe design was created based on the developed SWMM model to increase the applicability of combined stormwater systems for municipalities and consultants. This thesis concludes that combining infiltration and detention is a successful modern stormwater management strategy as it increases the resilience against global warming and urbanization by reducing peak outflow and outflow duration.