biologisk mangfold - Fordrøyning, Regnbed

(1)

Regnbed

- Fordrøyning,

overvannsrensing og biologisk mangfold

Kim H. Paus Asplan Viak 27.Januar 2015

Klimatilpasningsseminar – overvann Fylkesmannen i Oslo

og Akershus

(2)

Utfordring 1: Fortetting påvirker avrenningen

Increasing Urbanization Økende urbanisering

A vr en ning

Tid

Kapasitet på ledningsnett (rørdiameter etc.)

(3)

Utfordring 2: Ledningsnettet har stadig dårligere tilstand

A vr en ning

Redusert kapasitet på ledningsnett

Increasing Urbanization Økende urbanisering

Figur fra Stream Corridor Restoration Principles, processes, and Practices (2001) USDA-Natural Resources Conservation Service

Tid

Kapasitet på ledningsnett (rørdiameter etc.)

(4)

Utfordring 3: Effekt av forventede klimaendringer

A vr en ning

Increasing Urbanization Økende urbanisering Tid

Redusert kapasitet på ledningsnett

Kapasitet på ledningsnett (rørdiameter etc.)

(5)

Tilstandsklasser for ferskvann (KLIF, 1997)

Lindholm, O. (2004). Miljøgifter i overvann fra tette flater: Litteraturstudie, RAPPORT LNR 4775-2004, NIVA

Utfordring 4: Overvann fra tette flater er ofte forurenset

(6)

Grå løsninger

Blågrønne løsninger

Fra ett grått til ett blågrønt bymiljø

Kvantitet

Kvantitet Kvalitet

Verdi i

(7)

• Filtermediet som typisk består av sand, matjord og løv-kompost

• Vegetasjon bestående av varierte arter som tåler perioder med både stående vann og tørke

Norsk Vanns treleddsstrategi

• Lokalt tiltak for å håndterere overvannsmengder og fjerne forurensning

Regnbed: Prinsipper

Paus og Braskerud (2013) Forslag til dimensjonering og utforming av regnbed for norske forhold. Vann (1) 48.

(8)

(9)

NEDBØR

2,5

2,2

1,8

1,4

1,1

0,7

0,4

0.0 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

Vannføring [m3/t] Nedbør [mm/10 min]

(10)

NEDBØR

2,5

2,2

1,8

1,4

1,1

0,7 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

(11)

NEDBØR

2,5

2,2

1,8

1,4

1,1

0,7

0,4

0.0 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

(12)

Reduksjon av flomtopp = 88%

NEDBØR

2,5

2,2

1,8

1,4

1,1

0,7 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

(13)

Tidsforsinkelse på flomtopp = 55 minutter

Reduksjon av flomtopp = 88%

NEDBØR

2,5

2,2

1,8

1,4

1,1

0,7

0,4

0.0 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

(14)

NEDBØR

2,5

2,2

1,8

1,4

1,1

0,7 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

Kapasitet på ledningsnett

(15)

Er regnbed egnet for norske forhold og kaldt klima?

Kaldt klima Varmt klima

Rensing Infiltrasjon

Vegsalt?

Gjentetting av partikler?

Lav temperatur?

Forventet levetid?

Ytelse om vinteren?

Lav temperatur?

Forurenset smeltevann?

Dimensjonering?

Vegsalt?

Sammensetning av filtermedia?

(16)

• Filtermedia med varierende mengde løvkompost for å undersøke effekten av organisk materiale.

• Tilførte konstante konsentrasjoner av løst Cd, Cu og Zn

• To parallell-forsøk (3.6 ⁰C og 19.4 ⁰C) for å undersøke effekten av temperatur.

Metoder: Batch- og kolonne-forsøk for å studere

filtermediets evne til å tilbakeholde løste metaller

(17)

• Feltforsøk ved seks regnbed i Minneapolis, USA

• Infiltrasjons-forsøk ved MPD-

infiltrometer (Modified Philip–Dunne) for å undersøke levetid

• Innsamling av filtermedia-prøver for analyse av resterende rense-evne for løste metaller

• Tilsetning av NaCl for å studere effekter av vegsalt.

Metoder: Felt-forsøk og analyse av filtermediet i

eksisterende regnbed

(18)

L34b NB21 H8 RIS

Langmyrgrenda 34b (Oslo) Nils Bayes vei 21 (Oslo) Hammondsvei 8 (Melhus) Risvollan borettslag (Trondheim)

Etablert: 2006 Etablert: 2009 Etablert: 2009 Etablert: 2010

Overflateareal: 5,9 m² Overflateareal: 10,3 m² Overflateareal: 5,1 m² Overflateareal: 40,0 m² Maksimale vannstand: 6,5 cm Maksimale vannstand: 20 cm Maksimale vannstand: 19 cm Maksimale vannstand: 16 cm Dybde filtermedium: - Dybde filtermedium: 80 cm Dybde filtermedium: 100 cm Dybde filtermedium: 75 cm

Drensrør: - Drensrør: 100 mm Drensrør: 100 mm Drensrør: 2 X 100 mm

Areal nedbørsfelt: 291 m² Areal nedbørsfelt: 139 m² Areal nedbørsfelt: 107 m² Areal nedbørsfelt: 8 300 m²

Metoder: Kontinuerlig langtids (2-3 år) hydrologisk

overvåking av norske regnbed

(19)

Sorpsjons- kapasitet

Kons en tr as jon av s ink i utl øpe t [mg /L]

Vannvolum [L]

Kolonne-forsøket gir informasjon om hvor mye

Løste metaller som kan fjernes (sorpsjonskapasiteten)

Sorbent Sorpsjonskapasitet [mg/kg]

Cd Cu Zn

Mulch - 654 3,124

Alumina catalyst 6 0 1

Activated bauxsol-coated sand 0 8 526

Bauxsol-coated sand 11 1 1,130

Fly ash 5 0 0

Granulated activated carbon 1 23 101 Granulated ferric hydroxide 3 12 69

Iron oxide-coated sand 0 15 140

Natural zeolite 0 1 85

Spinel 2 0 842

Olivine I - - 1,478

Olivine II 148 378 212

Limestone 1 70 65

Shell sand - 1,147 453

Zeolite 4 27 -

Compost type I (MNC1) 23 58 907

Compost type II (MNC2) 77 52 1,136

Sand 0 4 15

(20)

Sor p sjons -k apas ite t [mg Cd per g f ilt ermedia]

Sorpsjonskapasiteten øker lineært med økende mengde løvkompost ift. sand (organisk materiale)

50% compost 50% sand 30% compost

70% sand 10% compost

90% sand 100% sand

(21)

Me tt et h ydr auli sk kondu kti vit et, K sa t [c m/t] Sor p sjons -k apas ite t [mg Cd per g f ilt ermedia]

Organisk materialet i filtermedia (LOI) [%]

Infiltrasjonsevnen avtar med økende mengde

løvkompost ift. sand

(22)

Kons en tr as jon av s ink i utl øpe t [mg /L]

Kolonne-forsøkene viser at sorpsjonskapasiteten

øker ved lav temperatur

(23)

Metall-sorpsjon øker med økende mengde organisk materialet i filtermediet

Me tt et h ydr auli sk kondu kti vit et, K sa t [c m/h ] sorp sjons -k apas ite t [mg Cd per g f ilt ermedia]

Organisk materialet i filtermedia (LOI) [%]

In fil tr asj onse vne R ense -e vne for me tall er

Løvkompost ift. sand i filtermediet

Sammenheng mellom infiltrasjonsevne, rense-evne for

metaller, temperatur og løvkompost i filtermediet.

(24)

Overvåking av infiltrasjonsevne gjennom året i

eksisterende regnbed

(25)

Overvåking av infiltrasjonsevne gjennom året i eksisterende regnbed

Andel infiltrert

Andel infiltrert [%]

(26)

Overvåking av infiltrasjonsevne gjennom året i eksisterende regnbed

Andel infiltrert

Andel infiltrert [%]

Infiltrasjonsevne

Infiltrasjonsevne [cm/t]

(27)

Enkel modellering av ytelse: Uttesting av design-formler

Sammenlikning av modellert og observert vannvolum infiltrert for enkelt-hendelser

𝑽_𝒊𝒏𝒇 ≤ 𝑨_𝒃𝒊𝒐 ∙ 𝒉_𝒎𝒂𝒙 ⁽⁵⁾

𝑽_𝒊𝒏𝒇 ≤ 𝑨_𝒃𝒊𝒐 𝒉_𝒎𝒂𝒙 + 𝒏 ∙ 𝒅 ⁽⁶⁾

𝑽_𝒊𝒏𝒇 ≤ 𝑨_𝒃𝒊𝒐 ∙ 𝒕 ∙ 𝑲_𝒔𝒂𝒕 ∙ 𝒉 + 𝒅 𝒅

(7)

𝑽_𝒊𝒏𝒇 ≤ 𝑨_𝒃𝒊𝒐 ∙ 𝒉_𝒎𝒂𝒙

+

^𝑲𝒔𝒂𝒕 ∙ 𝒕

(8)

𝑉𝑖𝑛𝑓 is the runoff volume infiltrate [m³], 𝐴𝑏𝑖𝑜 is the bioretention surface area [m²], ℎ_𝑚𝑎𝑥 is the maximum height of ponded water on the surface [m], ℎ is the average height of ponded water on the surface [m], 𝑛 is the mean effective porosity in the bioretention media, 𝑑 is the bioretention media depth [m], 𝐾_𝑠𝑎𝑡 is the saturated hydraulic conductivity [m/h], and 𝑡 is the inflow duration [h].

(28)

Enkel modellering av ytelse: Formel med best tilpasning

𝐴_{𝑟𝑒𝑔𝑛𝑏𝑒𝑑} er regnbedets overflateareal [m²] 𝐴_{𝑓𝑒𝑙𝑡} er nedbørsfeltets størrelse [m²]

𝑐 er nedbørsfeltets gjennomsnittlig avrenningskoeffisient [-]

𝑃 er dimensjonerende nedbørsmengde [m]

ℎ_{𝑚𝑎𝑘𝑠} er vannstanden på overflaten når vannet går i overløp [m]

𝐾_𝑠𝑎𝑡 er filtermediets mettede hydrauliske konduktivitet [m/t]

𝑡_𝑟 er dimensjonerende varighet på tilrenningen til regnbedet (regnvarighet + konsentrasjonstid) [t]

𝑨

_{𝒓𝒆𝒈𝒏𝒃𝒆𝒅}

= 𝑨

_{𝒇𝒆𝒍𝒕}

∙ 𝒄 ∙ 𝑷 𝒉

_{𝒎𝒂𝒌𝒔}

+ 𝑲

_𝒔𝒂𝒕

∙ 𝒕

_𝒓

Ob se rv ert i n fil tr as jons vol um [m

3

]

(29)

Optimal utforming

(varierende infiltrasjonsevne (Ksat), størrelse (Abio) og magasineringsdybde (Hmaks))

Dagens situasjon på Risvollan:

(58 % av avrenningen blir håndtert) Abio = 40 m2

Hmax = 16 cm Ksat = 1,3 cm/t

73 %

91 %

100 %

58 %

(30)

Felt-forsøk på eksisterende regnbed for å undersøke infiltrasjonskapasitet over tid

tr as jon s- kap as it et [cm/t]

(31)

1 år 10 år 100 år

Breakthrough (10% CVF) Breakthrough (30% CVF) Breakthrough (50% CVF)

Breakthrough (sand) Breakthrough (10% CVF) Breakthrough (30% CVF) Breakthrough (50% CVF) Breakthrough (sand)

Gjentetting

Breakthrough (field)

Breakthrough (field) Contaminated soil classification 2 (moderate)

Contaminated soil classification 2 (moderate)

Forventet driftstid på regnbed (dybde på filtermedium = 22 cm) [år]

Sink Kadmium Infiltrasjonsevne

Contaminated soil classification 2 (moderate)

Kobber

?

Forventet levetid

(32)

Saltforbruk i Norge

(33)

Tilsetning av overvann med høyt innhold av veisalt (NaCl)

R ela ti v sa lt- og n atr ium -k ons en tr as jone r [ - ]

Vannvolum [L]

Sink utløpskonsentrasjon Natrium-konsentrasjon Sink innløpskonsentrasjon Relativ konduktivitet

K ons en tr as jon av s ink i utl øpe t [mg /L]

0 mg Zn/L 1 000 mg NaCl/L 1 mg Zn/L

0 mg NaCl/L

(34)

Gjennombrudd av salt (som konduktivitet)

R ela ti v sa lt- og n atr ium -k ons en tr as jone

en tr as jon av s ink i utl øpe t [mg /L]

0 mg NaCl/L

(35)

NaCl i vannet bidrar til å mobilisere metaller i filtermediet

R ela ti v sa lt- og n atr ium -k ons en tr as jone r [ - ]

Vannvolum [L]

K ons en tr as jon av s ink i utl øpe t [mg /L]

0 mg NaCl/L

(36)

Na

⁺

-ioner bytter plass med Me

²⁺

-ioner

R ela ti v sa lt- og n atr ium -k ons en tr as jone

ons en tr as jon av s ink i utl øpe t [mg /L]

0 mg NaCl/L

Observasjoner:

• Andelen mobiliserte metaller avhenger av hvor mye metaller som var

tilbakeholdt før salt-pulsen.

• Organisk materialet holder bedre på metallene enn det sand gjør.

• Mengden mobiliserte metaller under

gitte forhold er relativt beskjeden - topp-

konsentrasjonene er imidlertid høye.

(37)

I tillegg til mobilisering av metaller forårsaker også NaCl

utvasking av små partikler (kolloidal dipsersjon) som medfører gjentetting av filtermediet

50% 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑘𝑠𝑗𝑜𝑛 𝑎𝑣 𝐾_𝑠𝑎𝑡

Overvann med vegsalt (vår)

Overvann uten vegsalt (sommer) Overvann uten

vegsalt (høst)

(38)

Observerer at prosessene forekommer i felt men i betydelig mindre

grad og ikke avgjørende for funksjoner (infiltrasjon og rensing)

(39)

Før NaCl Etter NaCl

Distance [m] Distance [m]

Distance [m]

Intrinsic permeability

…ikke signifikant forskjell

Observerer at prosessene forekommer i felt men i betydelig mindre

grad og ikke avgjørende for funksjoner (infiltrasjon og rensing)

(40)

1. Filtermedie-sammensetningen (andelen løvkompost) er en viktig design-parameter som

påvirker hovedfunksjoner (rense- evne og infiltrasjon)

2. Lav temperatur begrenser ikke rensing av løste metaller men kan påvirke hydrologisk ytelse hvis infiltrasjonsevnen i

utgangspunktet er lav

3. Vegsalt bidrar i noen grad til

utvasking av metaller og organisk materiale – langtids-effekter er ukjente

4. Det må forventes lang levetid mht. infiltrasjonsevne (under forutsetning av godt etablert

Takk til Ray Hozalski, Joel Morgan, John Gulliver, forskningsgruppen ved University of

Oppsummering

(41)

Takk for oppmerksomheten

1. Kartlegg vannveier for å finne egnet lokalitet.

Velg tilstrekkelig avstand til bygninger.

2. Bestem nedbørsfeltets areal, gjennomsnittlig avrenningskoeffisient og dimensjonerende

nedbørshendelse (mengde og varighet) iht. mål i 3-leddsstrategien.

3. Bestem maksimale vannhøyde, anta mettet hydraulisk konduktivitet og beregn

overflateareal.

4. Vurder om stedegne masser har tilstrekkelig infiltrasjonskapasitet, eller om nytt filter og drenering må benyttes.

5. Benytt filtermedium med god

infiltrasjonskapasitet for effektivt å håndtere overvann gjennom hele året. Vurder skråstilt drenslag og drensrør i kontakt med regnbed- overflate.

6. Gi regnbedet en form der vannet ledes over hele overflaten. Vurder forbehandling for

tilbakeholdelse av partikler og søppel.

7. Benytt vegetasjon tilpasset lokalt klima. Vær bevisst på beplantningsstrategi.

8. Vann, gjødsle og fjern ugress til ønsket vegetasjon har etablert seg.

9. Vedlikehold regnbedet etter behov.

Huskeliste ved etablering av regnbed

Takk til Ray Hozalski, Joel Morgan, John Gulliver, forskningsgruppen ved University of

Minnesota, TorOve Leiknes, Torstein Dalen, Mikael Bue, Tone Muthanna og Bent C.

Braskerud

(42)

Paus K.H. og Braskerud, B. C. (2013). Dimensjonering og utforming av regnbed under norske forhold. Vann, 1 (48): 54-67

Braskerud, B. C. and Paus, K. H. (2013). Anlegging av regnbed. En billedkavalkade over 4 anlagte regnbed, NVE rapport nr. 3/2013

LeFevre, G. H., Paus, K. H., Natarajan, P., Gulliver, J. S., Novak, P. J. and Hozalski, R. M. (2014). A Review of Dissolved Pollutants in Urban Stormwater and their Removal and Fate in Bioretention Cells. Journal of Environmental Engineering

Paus, K. H., Morgan, J., Gulliver, J. S., Leiknes, T. and Hozalski, R. M. (2014). Assessment of the Hydraulic and Toxic Metal Removal Capacities of Bioretention Cells After 2 to 8 Years of Service. Water, Air, and Soil Pollution, 225 (1).

Paus, K. H., Morgan, J., Gulliver, J. S., Leiknes, T. and Hozalski, R. M. (2014). Effects of Temperature and NaCl on Toxic Metal Retention in Bioretention Media. Journal of Environmental Engineering

Paus, K. H., Morgan, J., Gulliver, J. S. and Hozalski, R. M. (2014). Effects of Bioretention Media Compost Volume Fraction on Toxic Metals Removal, Hydraulic Conductivity, and Phosphorous Release. Journal of Environmental Engineering

Paus, K.H., Braskerud, B.C. (2014) Suggestions for Designing and Building Bioretention cells for Nordic Conditions.

VATTEN – Journal of Water Management and Research (70).

Paus, K.H., Muthanna, T.M., Braskerud, B.C. (2016). The Hydrological Performance of Bioretention Cells in Regions with Cold Climates: Seasonal Variation and Implications for Design. Hydrology Research

Dalen, T., Paus, K. H., Braskerud, B. C. og Thorolfsson, S. T. (2012). Målt og modellert hydrologisk ytelse til regnbed i