Mallinnustyökalu tukemaan CLASS-tulosten soveltamista läpäisevien päällysrakenteiden hydrologisessa mitoituksessa ja suunnittelussa

Transkriptio

1 TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R Mallinnustyökalu tukemaan CLASS-tulosten soveltamista läpäisevien päällysrakenteiden hydrologisessa mitoituksessa ja suunnittelussa Kirjoittajat: Juhani Korkealaakso Luottamuksellisuus: Julkinen

2

3 2 (31) Alkusanat CLASS-projektissa (Climate Adaptive Surfaces) tutkitaan vettä läpäiseviä pintamateriaaleja ja -rakenteita, joiden avulla pyritään huleveden parempaan hallintaan kaupunkiympäristöissä. Tätä kahden vuoden ( ) tutkimus- ja kehityshanketta rahoitti 15 yhteistyökumppania, Tekes ja VTT. Lisätietoa yhteistyökumppaneista, taustoista, tuloksista, raporteista jne. löytyy hankkeen nettisivuilta Tämä raportti liittyy CLASS-projektin mallinnusosassa (hankkeen työpaketti WP4) tutkittujen ja kehitettyjen hydrologisten suunnittelu- ja mitoitustyökalujen dokumentointiin. Raportissa keskitytään kuvaamaan projektissa kehitettyä mallinnustyövälinettä CLASS-parametritaulukoineen. Lisäksi raportti sisältää esimerkin alueellisen hulevesitarkastelun mallintamisesta SWMM laskentaohjelmistolla ja sen uudella läpäisevän päällysteen LID-moduulilla. Raportointi täydentää aiemmin ilmestyneen Review of pervious pavement dimensioning, hydrological models and their parameter needs, State-of-the-Art (2013) raportin sisältöä. Tässä ensimmäisessä raportissa kerrotaan laajasti läpäisevien päällysrakenteiden suunnittelussa huomioon otettavista tekijöistä ja tyypillisistä pinnoite- ja rakennekerrosten paksuuksista, niiden ominaisuuksista ja niille asetettavista vaatimuksista sekä eri maiden ja tahojen ohjeistuksista. Raportissa tarkastellaan lisäksi läpäisevien rakenteiden suunnittelussa, mitoituksessa ja mallinnuksessa käytettäviä tietokoneohjelmia ja mallinnustyökaluja sekä ilmastonmuutoksen mallinnusta ja vaikutuksia rankkasateiden toistuvuuteen ja niiden voimakkuuksien lisääntymiseen. Tämän raportin kappaleen 4 ( Esimerkkimallinnus SWMM-ohjelmistolla ja sen läpäisevän päällysteen LID-moduulilla ) on kirjoittanut Pekka Raukola (FCG Suunnittelu ja tekniikka Oy) osana FCG:n kehitystyöpanosta mallinnustyöpaketin WP4 tutkimus- ja kehitystyöhön. Espoo Juhani Korkealaakso Johtoryhmään kuuluivat: Pirjo Sirén (johtoryhmän puheenjohtaja; Espoon kaupunki, tekninen keskus), Eeva-Riikka Bossmann, Pekka Raukola ja Perttu Hyöty (FCG Suunnittelu ja tekniikka Oy), Kimmo Kuisma ja Osmo Torvinen (Helsingin kaupunki, Rakennusvirasto), Tommi Fred (Helsingin seudun ympäristöpalvelut kuntayhtymä, HSY), Olli Böök (Kaitos Oy), Pekka Jauhiainen (Kiviteollisuusliitto ry), Lars Forstén (Lemminkäinen Infra Oy), Tapio Siikaluoma (Oulun kaupunki), Mika Ervasti (Pipelife Finland Oy), Tomi Tahvonen (Puutarha Tahvoset Oy), Juha Forsman, Ulla Loukkaanhuhta ja Mervi Kokkila (Ramboll Finland Oy), Tiina Suonio ja Seppo Petrow (RTT Betoniteollisuus), Kimmo Puolakka ja Pia Rämö (Rudus Oy Ab), Kati Alakoski (Saint Gobain Weber Oy Ab), Angelica Roschier (Tekes), Antti Auvinen (Vantaan kaupunki), Eila Lehmus (VTT).

4 3 (31) Abstract The prototype of spreadsheet modelling platform has been developed to support the application of the CLASS results in the hydrological design and planning of permeable pavement structures. The present prototype is developed especially for including and considering the permeable pavement solutions and the results and findings of the CLASS project. The tool is developed for computing small site hydrology with and without the permeable pavement system. This tool estimates the amount of stormwater runoff generated from a site under different development and control scenarios over a period of selected design or historical rainfall. The analysis takes into account local soil conditions and meteorology. The spreadsheet framework of the tool is adopted from the Site Development Spreadsheet Tool (SDST) developed by Tetra Tech. The actual infiltration of stormwater through the permeable pavement structures and in the soil layers is calculated with the well-known HYDRUS-1D simulator. The Hydrus-1D software package is applied to simulate the actual stormwater infiltration in the pavements structures as well as in the natural soil. HYDRUS-1D may be used to simulate one-dimensional water flow, heat, and solute transport in variably saturated soils. For this, HYDRUS uses the Richards equation to predict water movement between the soil surface and the groundwater table. The collection of van Genuchten s parameters that are used to describe the required relationships between relative hydraulic conductivities, water contents and hydraulic heads in the Hydrus model for each modelled pavement and soil material are selectable from the CLASS material database. Hydrus-1D can be used to directly generate profiles of time- and depth-varying water content in a block of pavement layers and soil and to model the fluxes through its upper and lower boundaries. The modelling process is directly connected through pull down menus to spreadsheet tables of CLASS results, rainfall scenarios, literature searches, runoff information etc. As an additional output the tool generates also input information for the permeable pavement (LID) module of the EPA Storm Water Management Model (SWMM). SWMM is a wellestablished, EPA developed model that has been continuously used and periodically updated for 40 years and is widely used in overall stormwater management considerations. Recently the modelling capabilities of many stormwater control measures including permeable pavement structures have been included into the SWMM as submodules. Thus the CLASS hydro-tool can be used as a pre-processor for SWMM modelling and SWMM can be applied as a computational engine for the hydro-tool considerations. The report includes also a case-example of the application of SWMM and its new LID module. This example includes the application of the pavement module into the regional runoff modelling of the planned industrial site. The spreadsheet framework of the prototype tool enables easily to develop its capabilities further in the future. It can for example be developed to include the modelling of frost and mechanical behaviour of the pavement structures. It is also possible to connect the calculations directly to open national databases of meteorological and land cover information and connect automatically the information that is closest to the studied site into the calculation process. The 2- and 3-dimensional versions of HYDRUS are already capable to simulate surface runoff, freezing and thawing processes and reactive, chemical transport processes. The HYDRUS code includes also the inversion module for automatic model calibration. Chapter 4 of this report was written by Pekka Raukola (FCG Suunnittelu ja tekniikka Oy) as part of their contribution to this project.

5 4 (31) Sisällysluettelo Alkusanat... 2 Abstract Johdanto kehitettyyn työvälineeseen Kuinka työvälinettä käytetään Kohteen karakterisointi Päällysrakenteen karakterisointi ja huleveden imeytymisen laskenta (HYDRUS-1D) Tulostuksesta Mitoitus- ja vertailusateista Ilmastonmuutokseen liittyviä säätapahtumia Hulevesien hallinnasta SWMM-ohjelman ja sen läpäisevän päällysrakenteen LIDmoduulin avulla Moduulin tarvitsemien input-tietojen generointi työvälineen avulla Esimerkkimallinnus SWMM-ohjelmistolla ja sen läpäisevän päällysteen LID-moduulilla Johdanto Esimerkkikohde ja mallinnusperusteet Mallinnusparametrit Mallinnustulokset Vaikutukset hulevesien purkuvirtaamiin Pintakerroksen vedenläpäisevyys Kantavan ja jakavan kerroksen huokoisuus Johtopäätökset Nykyisestä proto-ohjelmasta tuotteeksi kehityssuuntia Lähdeviitteet... 29

6 5 (31) 1. Johdanto kehitettyyn työvälineeseen Maailmalla on käytössä satoja erilaisia mallinnustyövälineitä läpäisevien päällysrakenteiden hydrologiseen mitoitukseen ja suunnitteluun. Useimmat työvälineet on suunniteltu paikallisiin tarpeisiin ja olosuhteisiin, eivätkä ne salli yleiskäyttöisyyden vaatimia parametrien, sadetietojen jne. muutoksia. Erityisesti Yhdysvalloissa kehitetyt työvälineet käyttävät lisäksi lähes yksinomaan muita kuin SI-yksiköitä laskennoissaan. Monet työvälineistä ovat täysin empiirisiä perustuen kokeellisesti laboratoriossa ja/tai kenttämittauksin hankittuihin hydrologisiin parametreihin, ja hyvin harvoilla työvälineillä pystytään yhdistämään läpäisevien päällysrakenteiden hydrologisia tarkasteluja valuma-aluemittakaavan sadanta-valumatarkasteluhin, nykyisen maankäyttöolosuhteiden vertailua suunniteltuun maankäyttöön jne. Aiemmassa CLASS-mallinnusraportissa (Korkealaakso et al. 2013) on käsitelty eri mitoitusja suunnittelutyökalujen etuja ja haittoja päällysrakenteiden mallintamisessa. Erityisesti hulevesien maaperäimeytymisen mallintamiseen monipuolisesti soveltuvan HYDRUS-ohjelmiston (Simunek ja van Genuchten 2008) samoin kuin Yhdysvaltojen ympäristösuojeluviraston kehittämän ja julkaiseman SWMM (EPA StormWater Management Model) -ohjelmiston ja sen kaupallisten johdannaisten todetaan soveltuvan erittäin yleiskäyttöisinä eri mittakaavaisiin hydrologisiin hulevesitarkasteluihin ja olosuhteisiin. HYDRUS-ohjelmistoa käytetään jo varsin laajasti mallintamaan läpäisevien päällysrakenteiden hydrologiaa (mm. Illgen 2008, 200a ja 2009b; Kayhanian ja Massoudieh 2010; Carrera ja Dawson 2010; Chai et al. 2012). HYDRUS-1D on avoimen koodin malli ja ladattavissa vapaasti PC-PROGRESS-yrityksen sivuilta ( Default.aspx?hydrus-1d). HYDRUS-ohjelmistot (HYDRUS-1D ja HYDRUS (2D/3D) on tarkoitettu maaveden, lämmön ja aineiden/kemikaalien kulkeutumisen mallintamiseen yksi-, kaksi- tai kolmiulotteisessa maaprofiilissa. Kaksi- ja kolmiulotteiset ohjelmistoversiot ovat kaupallisia. SWMM-laskentakokonaisuutta sovelletaankin erittäin laajasti ympäri maailmaa hulevesien hallintatarkasteluissa. Ohjelmiston uusin versio sisältää myös läpäisevien rakenteiden tarkasteluun soveltuvan osamoduulin. SWMM-laskennalla voidaan läpäisevät rakenteet integroida osaksi valuma-aluelähtöisiä kokonaistarkasteluja ja vastaavasti linkittää erilliset rakenteiden mitoitus- ja mallinnustarkastelut alueellisiin kokonaistarkasteluihin. Tässä raportissa kuvataan CLASS-projektissa kehitettyä mallinnustyökalun prototyyppiä, joka on kehitetty tukemaan sekä CLASS-tulosten että HYDRUS- ja SWMM-ohjelmien soveltamista läpäisevien päällysrakenteiden hydrologisessa mitoituksessa ja mallinnuksessa. Työväline kyselee taulukkosivuillaan läpäisevän päällysrakenteen hydraulisen käyttäytymislaskennan sekä kohteen nykyisen ja tulevan maankäytön sadanta-valumalaskennan tarvitsemat input-tiedot ja toteuttaa alustavan mitoitusanalyysin. Työkalun laskentatulosten avulla voidaan arvioida kohteen generoimia valumavesimääriä erilaisille kehitys- ja hallintaskenaarioille käyttäen tarkastelukohteen historiallisia sateita, lyhytkestoisempia mitoitus- ja rankkasadeaikasarjoja sekä ilmastomuutoksen vaikutuksesta arvioituja sateita. Työväline muodostaa lisäksi osan SWMM-ohjelman input-tekstitiedostoa. Työvälineen avulla pystytään tekemään alustavaa kohdekohtaista läpäisevien päällysrakenteiden hydrologista mitoitusta, suunnittelua ja edelleen vaihtoehtojen seulontaa ja mahdollista ketjutusta. Työvälineen pohjana oleviin laskentamoduuleihin sisättyy myös luonnonmukaisia huleveden hallintamenetelmiä, joita voidaan tarvittaessa testata vaihtoehtoina samoin kuin kytkeä läpäisevään päällysrakenteeseen.

7 6 (31) 2. Kuinka työvälinettä käytetään 2.1 Kohteen karakterisointi Ensimmäisessä analyysivaiheessa työvälineellä toteutetaan kohteen valuma-alueen karakterisointi. Tällöin määritetään ensin tarkasteltavan kohteen kokonaispinta-ala ja keskeisin imeytymiseen vaikuttava maalaji (kuva 1). Kuva 1. Analyysin ensimmäisessä vaiheessa toteutetaan kohteen valuma-alueen karakterisointi, jossa valitaan valuma-alueen imeytymisen kannalta keskeisin maalaji ja määritetään valuma-alueen pinta-ala hehtaareina. Työkalun esitysrakenne ja pintavaluntaan liittyvät laskenta-algoritmit perustuvat osin Tetra Tech -yhtiön kehittämään Site Development Spreadsheet Tool (SDST) ohjelmaan (SDST 2014). Valumalaskennat perustuvat NRCS Curve Number lähestymistapaan. Tämä lähestymistapa on käytössä myös yhtenä vaihtoehtona SWMM ohjelmassa. Virtaus etenee läpäisevissä rakenteissa yksinkertaisella reititystekniikalla (National Engineering Handbook Hydrology Chapters 2012). Tämän jälkeen karakterisointi jatkuu valuma-alueen sisältämien keskeisten pintavirtaukseen vaikuttavien peittomateriaalien ja kunkin peittomateriaalin peittoalojen määrittelyllä ja valinnalla (kuva 2). Seuraavaksi valitaan purkuvirtaaman vaikuttavat parametrit (kaade, Manningin kerroin ja valuma-alueen pisin virtausreitti purkupisteeseen). Ne työvälineen valintataulukot, jotka eivät liity CLASS-hankkeen tuloksiin ja suoraan läpäisevän päällysrakenteen hydrologiseen käyttäytymiseen on säilytetty (ainakin toistaiseksi) Tetra Tech -yhtiön kehittämän Site Development Spreadsheet Tool (SDST) -ohjelman mukaisesti englanninkielisinä (SDST 2014). Näitä englanninkielisiä valintavaihtoehtoja ovat mm. pintamateriaalien, pintavalumalaskennan sekä kuivatustoteutusten hydrologisten parametrien valintaan ja määräytymiseen liittyvät valinnat.

8 7 (31) Kuva 2. Kohteen karakterisointi jatkuu nykyisen valuma-alueen sisältämien keskeisten pintavirtaukseen vaikuttavien peittomateriaalien ja kunkin peittomateriaalin peittoalojen määrittelyllä ja valinnalla. Valuma-alueen karakterisointi voidaan toteuttaa sekä nykyisille olosuhteille että suunnitteilla olevalle tulevalle maankäytölle. Tässä vaiheessa oletetaan vielä, ettei tulevaan maankäyttöön liity hulevesien hallintaratkaisuja (kuva 3). Kuva 3. Kohteen karakterisointi jatkuu suunnitteilla olevalle tulevalle maankäytölle valumaalueen sisältämien keskeisten pintavirtaukseen vaikuttavien peittomateriaalien ja kunkin peittomateriaalin peittoalojen määrittelyllä ja valinnalla.

9 8 (31) Työvälinettä sovellettaessa kannattaa seurata vaaleanvihreisiin taulukkosoluihin merkittyä vaiheiden numerointia. Lisäksi käyttäjän odotetaan antavan input-tietoja ainoastaan oranssinvärisiin soluihin. 2.2 Päällysrakenteen karakterisointi ja huleveden imeytymisen laskenta (HYDRUS-1D) Tämän jälkeen siirrytään läpäisevän päällysrakenteeseen liittyvien input-tietojen syöttöön (kuva 4). Päällysrakenteen läpi virtaavan veden imeytyminen maaperään voidaan joko sallia tai estää. Vastaavasti voidaan valita, sallitaanko rakenteen vesien purkautuminen putkituksella varastokerroksen kautta esimerkiksi toiseen hallintamenetelmään. Lisäksi valitaan läpäisevään päällysrakenteeseen (tai vaihtoehtoiseen hallintamenetelmään) liittyvät materiaalit, kerrospaksuudet ja rakenteen peittoala mahdollisine kaltevuuksineen. Rakennekerrosleikkauksen materiaaleja valittaessa on syytä aloittaa pohjimmaisen kerroksen valinnalla ja edetä sitten asteittain ylöspäin. Laskennan tarvitsemat hydrologiset ominaisuudet on linkitetty suoraan CLASS-taulukoiden sisältämiin vedenjohtavuuksiin, huokoisuuksiin jne. Toistaiseksi taulukkotiedot sisältävät CLASS-käsikirjan liitteissä (Kling et al. 2015) annettuja pintakerroksen ja pintamateriaalien samoin kuin rakennekerrosten ominaisuuksia. Tarvittaessa uusia materiaaliominaisuuksia voidaan lisätä CLASS-taulukkotietoihin. Kuva 4. Laskentataulukko ensimmäiselle luonnonmukaiselle huleveden hallintaratkaisulle. Taulukkoesimerkki on läpäisevälle päällysrakeelle. Samalla linkitetään käyttäytyminen maaperäimeytymisen, haihtumisen, purkautumisvaihtoehtojen jne. suhteen. Sadanta- ja muiden säätietojen taulukkosivulta voidaan valita haluttu sadetapahtuma mitoitussateiden tietokannasta. Samoin voidaan valita haihduntanopeuden arvo. Haihdunnalla tarkoitetaan tässä sitä sateen osaa, joka ei päädy valuntaan, vaan palaa ilmakehään vesihöyrynä kasvien välityksellä sekä kosteilta pinnoilta. Haihdunta vaikuttaa maaperän vesimäärään ja täten välillisesti myös sadetapahtuman alkutilanteen maaperän vesipitoisuuteen ja veden imeytymiseen. Rankkasateiden aikana haihdunta voidaan kuitenkin usein olettaa merkityksettömäksi.

10 9 (31) Varsinainen huleveden imeytymisen mallintaminen päällysrakenteissa ja maaperässä toteutetaan HYDRUS-1D -ohjelmalla. Ohjelma soveltaa osittain saturoituneen, huokoisen väliaineen virtausteoriaa. Malli ottaa tarvittaessa huomioon sadannan ja haihdunnan, kasvien veden ja aineiden oton, aineiden hajoamis- ja sorptioreaktiot sekä salaojituksen. Laajennettuna HP1-moduulilla voidaan HYDRUS-ympäristössä toteuttaa myös reaktiivista, kemiallista mallinnusta vesimineraalivuorovaikutuksineen. Maaperän ja läpäisevän päällysteen materiaalikerrosten hydraulisina lähtöominaisuuksina voidaan käyttää CLASS-projektin tuloksena ja/tai kirjallisuudesta kerättyjä laboratoriossa määritettyjä parametriarvoja. Sadannan inputtietoina voidaan käyttää erilaisia tietokantaan kerättyjä mitoitussateita ja tilastollisia sadetapahtumia tai mitattuja historiallisia sateen aikasarjoja. Toisin kuin empiirisissä menetelmissä, osittain saturoituneen väliaineen numeerisessa mallinnuslähestymistavassa käytetään virtausteorian peruskäsitteitä. Osittain saturoituneen, huokoisen väliaineen teoria soveltuu läpäisevien päällysrakenteiden suunnitteluun ja mitoitukseen, koska rakennemateriaalien vedenjohtavuudet ja huokosluvut ovat suuria. Osittain saturoituneen vyöhykkeen virtaus toteuttaa Richardin yhtälöä, joka on yksiulotteisessa muodossa seuraava: = K(h) h + 1 S jossa θ = vesipitoisuus tilavuusprosentteina, h = painepotentiaali, K = isotrooppinen epäsaturoituneen väliaineen hydraulinen vedenjohtavuus; z = koordinaatti vertikaalisuunnassa; S = häviötermi ja t = aika. Richardin yhtälön soveltamisessa tarvitaan vedenpidätyskäyrään liittyvä informaatio. Työkalu soveltaa ns. van Genuchten -mallia, joka on seuraavaa muotoa (van Genuchten 1980): S e = [1 + (-αh m ) n ] -m, jossa S e = (θ - θ r )/(θ s - θ r ), suhteellinen tilavuusvesipitoisuus, θ = vesipitoisuus tietyssä potentiaalissa, θ r = jäännösvesipitoisuus, θ s = täysin saturoituneen tilan vesipitoisuus, h m = painepotentiaali ja α, n, m (m = 1-1/n) ovat van Genuchten mallin parametrivakioita. Työkalun taulukkotietokantaan on kerätty läpäiseville päällystemateriaaleille ja luonnonmaille tyypillisiä van Genucten mallin parametriarvoja (kuva 5). Taulukkoympäristössä voidaan myös tarkastella graafisesti valittuja van Genucten -parametreja vastaavia vedenpidätyskäyriä ja vedenjohtavuuskäyriä (kuva 6). Vedenpidätyskäyrä kuvaa rakenteen ja maaperän vesipitoisuuden ja painepotentiaalin suhdetta ja vedenjohtavuuskäyrä vastaavasti vesipitoisuuden ja johtavuuden suhdetta. Taulukkoarvot ovat suoraan käytettävissä HYDRUS-mallinnusohjelman input-arvoina (kuva 6).

11 10 (31) Kuva 5. Otanta työkalun van Genucten -parametrien tietokannasta. Lähdeviittaukset sisältyvät kokonaistietokantaan.

12 11 (31) Kuva 6. Van Genucten -parametrien arvot annetaan rakennekerroksittain ylhäältä alaspäin HYDRUS-ohjelman Water Flow Parameters -syötekentässä. Alemmissa kuvissa esitetään vedenpidätyskäyrät sekä asfaltin että jakavan kerroksen arvoille ja vedenjohtavuuskäyrä jakavalle kerrokselle. 2.3 Tulostuksesta Tämän jälkeen voidaan tarkastella purkuvirtaamatuloksia nykyiselle maankäytölle, suunnitellulle maankäytölle ja tulevalle maankäytölle suunnitelluin hallintaratkaisuin. Työväline tulostaa tulokset taulukoina yksittäisille hallintaratkaisuille ja yhteenvetoina. Toistaiseksi työväline tulostaa purkuvirtaamat graafisesti eri sadantatapahtumille. Kuvassa 7 on esitetty esimerkkejä työvälineen erilaisista tulostustaulukoista ja graafisista esityksistä. Suoraviivaisessa analyysissä oletetaan, että laskentatarkasteluja kontrolloivat sade- ja haihduntaskenaariot on valittu valmiiksi ohjelmiston sisältämistä sade- ja haihduntaskenaarioista. Tulosten pohjalta voidaan tämän jälkeen kätevästi muuttaa aiemmin annettuja input-tietoja valuma-alueen ja hallintarakenteen osalta ja toteuttaa iteratiivista mitoitusta ja suunnittelua.

13 12 (31) Kuva 7. Tulostusesimerkkejä yksittäisille hallintaratkaisuille, yleiskatsaukselle ja graafiselle tulostukselle (Christian 2014). HYDRUS-tulosten jälkiprosessointi koostuu x y grafiikoista, joilla esitetään hydraulisia ominaisuuksia, käsiteltävien muuttujien aikasarjoja valituissa profiilipisteissä sekä virtauksia ja

14 13 (31) kumulatiivisia virtauksia mallin ylä- ja alarajapintojen poikki. Myös vesipitoisuus- ja painepotentiaaliprofiilit voidaan esittää. Kuvassa 8 on esitetty esimerkki vesipitoisuusprofiileista. Kuva 8. Esimerkkikuva HYDRUS-tulostuksesta: Vesipitoisuuden vaihtelu läpäisevässä asfaltissa, jakavassa ja kantavassa kerroksessa sekä alapuolisessa maaperässä, kun pinnalta syötetään tasaisesti vettä rakenteeseen (0,12 cm/day). 2.4 Mitoitus- ja vertailusateista Työkaluun on sisällytetty toistaiseksi valmiina vain yleisimmin käytettyjä mitoitussateita ja joitakin rankkasadeskenaarioita. Tietokantaan voidaan aina tarvittaessa lisätä uusia sadetapahtumia esimerkiksi kopioimalla ja muokkaamalla siellä jo olevia aikasarjoja (kuva 9). Kuva 9. Esimerkki tietokannan sisältämästä sadetapahtumasta. Mitoitussade määritetään valuma-alueen pinta-alan, kertymisajan ja sateen toistuvuuden perusteella. Suurimmat hulevesivirtaamat saavutetaan yleensä silloin, kun rankkasateen kesto valitaan kertymisajan eli valuma-alueen etäisimmästä reunasta purkupisteeseen kuluvan virtausajan pituiseksi. Toisin sanoen kertymisaika määrittää suurimpien virtaamahuippujen esiintymishetken rankkasateen alkamishetkestä lukien. Hulevesiviemäriverkostossa pahin hetkellinen tulvatilanne syntyy lyhytkestoisella, intensiteetiltään suurella rankkasateella silloin, kuin usean osavaluma-alueen huippuvirtaamat esiintyvät samanaikaisesti samassa verkoston osassa. Sen sijaan esimerkiksi hulevesialtaissa pahimman tulvatilanteen aiheuttaa yleensä pitkäkestoisempi rankkasade, jonka sademäärä on suuri. Valuma-alueen koon ja

15 14 (31) muodon lisäksi kertymisaikaan vaikuttaa olennaisesti sateen rankkuus. Heikoilla sateilla vaaditaan pitkäkestoisempi sadetapahtuma virtaamahuipun saavuttamiseksi, kun taas hyvin rankoilla sateilla virtaamahuippu muodostuu pintojen nopean kastumisen johdosta selvästi lyhemmässä ajassa. Erot kertymisajoissa jäävät kuitenkin vähäisiksi, kun siirrytään kerran viidessä vuodessa tai tätä harvemmin toistuviin tilanteisiin. Sadetta mitataan tyypillisesti yksiköissä [mm/h tai mm/min] tai [l/s*ha)]. Kertomalla [l/s*ha)] 0,006:lla saadaan sateen määrä yksikössä [mm/min]. Sadetta voidaan kuvata erilaisilla malleilla. Yleensä sadanta esitetään intensiteettinä [mm/hr] tai tilavuutena [mm] jonkun aikasarjan suhteen. Tällainen malli kuvaa intensiteetin ja tilavuuden vaihtelua tietyn aikajakson aikana. Yksinkertaisimmillaan sade kuvataan mallilla, jossa sateen oletetaan pysyvän intensiteetiltään samansuuruisena koko tarkasteltavan tapahtuman ajan (kuva 10). Kuva 10. Esimerkki 20 minuuttia kestävästä vakiointensiteetin [9 mm/h = 0,15 mm/min = 25 l/s*ha] sadetapahtumasta. Keskimääräisen sadannan lisäksi hulevesien kannalta kiinnostavia sateen ominaisuuksia ovat sateen kestoaika, sateen toistuvuus sekä sateen intensiteetti (RIL 2003). Sateen kestoajan ja rankkuuden arvioimiseksi vesihuollon suunnittelun tarkoituksiin on Suomessa yleisesti käytetty Katajiston vuonna 1969 laatimaa intensiteetti-toistuvuus-kestoaika kuvaajaa, joka on esitetty kuvassa 11. Kuva 11. Sateen intensiteetti-toistuvuus-kestoaika-kuvaaja. Vasemmalla pystyakselilla sateen intensiteetti mm/min. (RIL 2004) Kuvaajan perusteella saatu mitoitussadetapahtuma on intensiteetiltään samansuuruinen koko tapahtuman ajan, mutta todellisuudessa luonnollisten sadetapahtumien aikana intensiteetti vaihtelee suuresti. Luonnollisten sadetapahtumien kuvaaminen muuttuvalla intensiteetillä tulisi ottaa mallinnuksessa huomioon ja tämän vuoksi mitoitussadekäytäntöjä on suositeltu uudistettaviksi (Aaltonen ym. 2008).

16 15 (31) Kuvassa 12 on esitetty esimerkkeinä kolmen merkittävän kaupunkiympäristöön iskeneen rankkasadetapahtuman mitatut intensiteettivaihtelut. Kuva 12. Esimerkkejä viimeaikaisista rankkasateista ja syntyneistä vahingoista (Korkealaakso 2015). Mitattujen sateiden intensiteetit luonnollisesti vaihtelevat tarkastelujakson aikana. Sademalleina voidaan tällöin käyttää historiallisia, mitattuja sadehavaintoja tai generoida stokastisesti satunnaiskomponentin ja jonkin jakauman avulla erilaisia sateita (esimerkiksi generoimalla vuoden pituiselle ajanjaksolle päivittäisiä sateita, jotka perustuvat kunkin kuukauden keskimääräiseen sadantaan yhdistettyinä tilastotietoon kuukausikohtaisesta ja päivittäisestä vaihtelusta kuukauden keskisadannassa). Esimerkiksi Goldsim-ohjelmistolla voidaan Monte Carlo -simuloinnin avulla kätevästi generoida erilaisia sateita vetenä ja lumena samoin kuin haihtumista sade- ja lämpötilatilastojen pohjalta (kuva 13). Kuva 13. Esimerkiksi GoldSim-mallinnuksen avulla voidaan generoida synteettisiä sadannan aikasarjoja epävarmuuksineen (Goldsim 2014). Haihdunnalla tarkoitetaan sitä sateen osaa, joka ei päädy valuntaan vaan palaa ilmakehään vesihöyrynä kasvien välityksellä sekä kosteilta pinnoilta. Haihdunta riippuu ilman lämpötilasta ja kosteudesta, ilman vaihtuvuudesta, kasvillisuuden määrästä samoin kuin auringon säteilyn määrästä. Sille on hyvin vaikea määrittää yksittäistä arvoa, koska se voi vaihdella sääolosuhteiden vaihdellessa paljonkin jopa yhden vuorokauden sisällä. Haihdunta vaikuttaa maaperän vesimäärään ja täten välillisesti myös sadetapahtuman alkutilanteen maaperän vesipitoisuuteen ja veden imeytymiseen. Kuitenkin rankkasateiden aikana haihdunta voidaan olettaa merkityksettömäksi (Butler ja Davies 2004) eikä sitä tämänkään työn yhteydessä käytetyssä mallissa ole huomioitu. Pitkäaikaissimuloinneissa haihdunta sen sijaan olisi syytä huomioida. Haihdunta voi vaikuttaa jopa yli 50 % vuosittaisen sadannan vesihäviöstä. Yleensä arvio haihdunnasta sisällytetään yhdessä kasvustopidättymisen kanssa painannesäilyntäarvoon. Yleinen tapa mallintaa haihduntaa on olettaa, että haihdunta tapahtuu koko ajan täysin kosteilta materiaaleilta. Valunta on se vesimäärä, joka jää jäljelle, kun maahan sataneesta vedestä vähennetään pidättyminen kasvustoon (interseptio), maahan imeytyminen (infiltraatio), painannesäilyntä

17 16 (31) sekä haihdunta. Interseptio kuvaa sitä osuutta sateesta, jonka kasvillisuus pidättää ja varastoi pinnalle, joten kasvittomilla pinnoilla interseptio luonnollisesti on hyvin vähäistä. Painannesäilyntä on se vesimäärä, joka sateesta kuluu pinnan epätasaisuuksien täyttämiseen ennen kuin vesi alkaa virrata pintaa pitkin. Painannesäilyntää kuvataan koko pinnalle jaetun vesikerroksen paksuudella, jonka tyypillisiä arvoja ovat läpäisemättömälle pinnalle 0,5 2 mm, tasakatoille 2,5 7,5 mm sekä noin 10 mm puutarhoille. Tietokonemalleissa interseptio sekä painannesäilyntä yleensä yhdistetään, kuten on tehty myös tämän työn yhteydessä (Butler ja Davies 2004). Painanteisiin varastoitunut vesi voi olosuhteista riippuen lopulta imeytyä tai haihtua. Sadetapahtumaan liittyvää valunnan määrää voidaan arvioida Manningin yhtälön avulla (Rossman 2010b): Q = W/n * (d d p ) 5/3 * S 1/2, jossa W = osavaluma-alueen leveys valumaa vastaan kohtisuoraan [m], S = edellistä leveyttä vastaan kohtisuoraan olevan pinnan keskimääräinen kaltevuus, n = pinnan karkeutta kuvaava Manningin kerroin, dp = painannesäilyntä [m] ja d = vesisyvyys [m]. Manningin kertoimien vaihteluvälit on kerätty kirjallisuudesta (Rossman 2010, RIL 2003) ja yhteenveto on koottu työvälineen valuntasivulle. Tarkastelupisteen valunnan voimakkuuden aikakäyrän muotoon vaikuttaa sekä viive, joka valunnalta kuluu tarkastelupisteelle, että tarkastelupistettä ennen valunnan määrää vähentäneet painannesäilyntä, haihdunta ja imeytyminen. 2.5 Ilmastonmuutokseen liittyviä säätapahtumia Vuotuisen sademäärän odotetaan nousevan vuosisadan loppuun mennessä jopa % skenaarioista riippuen (HSY 2010). Sademäärän muutoksiin vaikuttavat sadepäivien lisääntyminen ja rankkasateiden yleistyminen (Yrjölä ja Viinanen 2012). Tulevaisuudessa globaali ilmastonmuutos aiheuttaa muutoksia myös ääri-ilmiöiden esiintyvyyteen (Makkonen ja Tikanmäki 2008). Kerran 50 vuodessa esiintyvä kuuden tunnin maksimisademäärä kasvaa Suomessa keskimäärin 30 % kuluvan vuosisadan loppuun mennessä. Alueelliset vaihtelut muutoksissa voivat olla suuret (Wahlgren ym. 2008). SETUKLIM-hankkeessa on laadittu äskettäin Ilmatieteen laitoksen johdolla arvioita Suomen ilmaston tulevista muutoksista tuoreimpien maailmanlaajuisten ilmastomallilaskelmien (35 ilmastomallia; ns. CMIP5-mallit) perusteella (Ruosteenoja 2013). Kaikkien laskentaskenaarioitten mukaan lämpötila nousee Suomessa enemmän kuin maapallolla keskimäärin. Jos uhkaavin kasvihuonekaasuskenaario toteutuu, lämpötila saattaa nousta meillä 6 C sadassa vuodessa. Tehokkailla päästöjen rajoituksilla lämpeneminen saataisiin rajattua reiluun kahteen asteeseen. Vuotuisen kokonaissademäärän kasvu on pahimmalla päästöskenaariolla 20 % ja tiukimpien rajoitusten täyttyessä 8 %:n luokkaa. Talvisin lämpötila nousee Pohjois- Suomessa jonkin verran nopeammin kuin maan eteläosissa. Kesällä maan eri osien lämpiämisessä ei näytä olevan suurta eroa. Sademäärässä taas eroja on lähinnä kesällä tuolloin sateet lisääntyvät enemmän pohjoisessa. Rankkasateet ja taajamatulvat (RATU) -loppuraportissa (Aaltonen ym. 2008) on esitetty tarkistettuja sateen keskimääräisiä intensiteettejä yhden neliökilometrin aluesadannalle. Sadetiedot perustuvat Suomessa vuosina tehtyihin tutkasadehavaintoihin ja vastaavat Etelä-Suomen sateita. Ilmastonmuutoksen on Ilmatieteen laitoksen käsityksen pohjalta ennustettu kasvattavan rankkasateiden intensiteettejä keskimäärin % vuosiin mennessä. RATU:n suositusten mukaisesti tällainen ilmastomuutos voidaan huomioida käyttämällä 20 % nykyistä rankempia sateita. Tämä tarkoittaa esimerkiksi, että nykyhetken 1/10a toistuvuus vastaa ennustetun ilmastonmuutoksen mukaisessa tilanteessa likimäärin 1/5a toistuvuutta. Vastaavasti nykyinen 1/5a toistuvuus vastaa ennustetussa tilanteessa likimäärin 1/3a toistuvuutta.

18 17 (31) 3. Hulevesien hallinnasta SWMM-ohjelman ja sen läpäisevän päällysrakenteen LID-moduulin avulla Moduulin tarvitsemien input-tietojen generointi työvälineen avulla Yhdysvaltain ympäristönsuojeluviraston (EPA) kehittämä ja julkaisema Storm Water Management Model (SWMM) on pääosin rakennetun ympäristön tarkasteluun tarkoitettu sadanta-valuntamalli, jolla on mahdollista mallintaa sekä yksittäisiä, että pitkäaikaisia sadetapahtumia (Rossman 2010). Ohjelmisto jakautuu hydrologiseen ja hydrauliseen osioon siten, että hydrologisessa osassa ohjelma laskee sateen aiheuttamana pintavalunnan osavaluma-alueilta ja johtaa sen hydrauliseen osioon. Hydrologisen osan lähtötietoina toimivat sateen lisäksi esimerkiksi imeytymis- ja haihduntaparametrit, osavaluma-alueiden geometria, kaltevuudet sekä pinnan karkeutta kuvaavat Manningin kertoimet. Näiden avulla ohjelma laskee osavaluma-alueelta poistuvan pintavalunnan ajan suhteen vähentämällä sadannasta imeytymisen, haihdunnan sekä painannesäilynnän ja ohjaa saadun valunnan osavaluma-alueen purkupisteeksi määritettyyn verkoston solmukohtaan. Hydraulisessa osassa käytetään lähtötietona hydrologisessa osassa laskettua valuntaa, joka johdetaan putkien, avouomien, säiliöiden, pumppujen ja kynnysten avulla siten, että verkoston jokaisen osan toimintaa kuten veden korkeuksia ja virtausnopeuksia voi tarkastella aikaaskeleittain. Muita lähtötietoja hydraulisessa osassa ovat esimerkiksi viemärikaivojen korkeustiedot, putkien halkaisijat ja liitoskorkeudet sekä putkien ja avouomien karkeutta kuvaavat Manningin kertoimet. Veden kulkeutumista hydraulisessa osiossa voidaan ohjelmalla mallintaa joko tasaisen virtauksen, kinemaattisen aallon tai dynaamisen aallon mallilla. Dynaamisen aallon malli ratkaisee täydellisesti Saint Venantin yksiulotteiset virtausyhtälöt (Rossman 2010). Tällöin voidaan ottaa huomioon esimerkiksi virtauksen kääntyminen, paineellinen virtaus sekä alapuolisen putkiston padotusvaikutus, jotka kaikki ovat merkittäviä ilmiöitä tämän työn yhteydessä käsiteltävissä verkostoissa. Sekä hydrologisen, että hydraulisen osion komponentit kootaan SWMM-ohjelmaan tarkastelualueeksi (kuva 14), joka sisältää graafiset esitykset esimerkiksi osavaluma-alueista, viemäriverkostosta, purkupisteistä ja säiliöistä. Käyttöliittymän avulla jokaisen komponentin ominaisuuksia ja siihen liittyviä parametreja on mahdollista muokata erikseen. Kuva 14. Näkymäesimerkki SWMM-ohjelman käyttöliittymästä. SWMM-ohjelmistoa ja sen käyttöä hulevesien hallintatoimenpiteiden mallinnuksessa käsitellään tarkemmin aiemmassa CLASS-projektin mallinnusraportissa (Korkealaakso et al. 2013). Lisäksi ohjelman toiminnasta on saatavilla runsaasti yksityiskohtaista tietoa mm. kahdesta käyttöohjeesta (Gironás et al. 2009, Rossman 2010).

19 18 (31) EPA:n vuoden 2009 ja sitä uudemmissa päivityksissä SWMM-malliin on liitetty erilaisia luonnonmukaisia huleveden hallintamenetelmiä tukemaan niiden käyttöönottoa osana viheralueiden suunnittelua ja toteutusta. Viimeisin SWMM-ohjelman versio sisältää laskentamoduulit biosuodatusrakenteille, sadepuutarhoille, viherkatoille, imeytyskaivannoille ja -painanteille, läpäiseville päällysteille, kiinteistösäiliöille ja kasvillisuuspainanteille (Kuva 1). Näissä moduuleissa biosuodatusrakenteiden, viherkattojen, imeytyskaivantojen ja läpäisevien päällysteiden varastokerrokset voidaan liittää tarvittaessa kuivausjärjestelmiin, joilla imeytyvä hulevesi maaperään imeytymisen sijaan johdetaan pois peittoalueelta. Näiden käsittelymenetelmämoduulien pohjalle voidaan myös lisätä vettä läpäisemätön laineri estämään kaiken maaperään tapahtuvan imeytymisen. Läpäisevien päällysteiden moduuli sisältää myös ns. tukkeutumis-parametrin, jonka avulla voidaan kuvata pintamateriaalien hydraulista johtavuutta ajan funktiona. Tässä raportissa keskitytään ainoastaan työkaluun sisällytettyyn läpäisevien päällysteiden laskentamoduuliin. Kappaleessa 5 esitetään tapausesimerkki, jossa mallinnetaan tulevan teollisuusalueen pintavirtauksia SWMM-laskentaohjelmistolla ja sen uudella läpäisevän päällysteen LID-moduulilla. Ohjeet muiden hallintamoduulien ja SWMM-mallinnuksen komponenttien käytöstä löytyy SWMM-ohjelman uusimman version ( ) manuaalista (Environmental Protection Agency 2013). Kuva 15. SWMM-malliin toistaiseksi liitetyt luonnonmukaisten huleveden hallintamenetelmien LID-laskentamoduulit (Environmental Protection Agency 2013).

20 19 (31) SWMM-ohjelmisto on erittäin monipuolinen, mutta myös monimutkainen suunnittelijoiden simulointiohjelmisto hulevesien hallintakokonaisuuksien tarkasteluun. Kehitetyn Excel/VBA - pohjaisen prototyypin tavoitteena on ollut kehittää päällysrakenteiden hydrologiseen mallinnukseen mitoitustyöväline, jossa keskitytään erityisesti päällysrakenteen hydrologisen käyttäytymisen arviointiin. Työväline muodostaa myös osan SWMM-ohjelmaan (EPA Storm Water Management Model) yhteensopivaa input-tekstitiedostoa. Esimerkiksi työvälineellä muokattujen läpäisevän päällysrakenteen hydrologisten materiaaliominaisuuksien, kerrospaksuuksien kaltevuuksien, peitto-olojen jne. tiedot voidaan siirtää osaksi SWMM mallinnusta. Näin ohjelmaa voidaan hyödyntää eräänlaisena esiprosessorina monipuoliselle alueelliseen huleveden hallintaan soveltuvalle SWMM-ohjelmalle. Vastaavasti SWMM ohjelmaa voidaan tarvittaessa hyödyntää työvälineen laskentayksikkönä (kuva 16). Kuva 16. Periaatekuva prototyökalun ja SWMM ohjelmiston yhteiskäyttömahdollisuudesta. SWMM-ohjelma toteuttaa kosteustaseen laskennan päällysrakenteessa niin, että se jäljittää dynaamisesti jokaisella aika-askeleella, paljonko vettä kulkee kunkin vaakarakenteen välillä ja paljonko vettä varastoituu kuhunkin kerrokseen. SWMM-ohjelman kerrosrakenne ohjelman mahdollistamine virtausreitteineen on esitetty kuvassa 17. Kuva 17. SWMM-ohjelman kerrosrakenne ohjelman mahdollistamine virtausreitteineen. Kuvassa 18 on esitetty SWMM ohjelman läpäisevän päällysrakenteen LID-moduulin parametrien linkittyminen käyttöliittymän ja vastaavien input-tekstitiedoston formaatin välillä. Esimerkin LID-parametreille annetut mallinnusarvot on otettu kappaleen 4 mallinnusesimerkistä. Painannesäilyntä (SWMM-Berm Height) on se vesimäärä, joka sateesta kuluu pinnan epäta-

21 20 (31) saisuuksien täyttämiseen ennen kuin vesi alkaa virrata pintaa pitkin. Painannesäilyntää kuvataan koko pinnalle jaetun vesikerroksen paksuudella, jonka tyypillisiä arvoja ovat läpäisemättömälle pinnalle 0,5 2 mm. SWWM-laskenta pystyy ottamaan huomioon maaperän ja rakenteiden kunkin ajanhetken kosteustilanteen. Uuden sateen alkaessa rakenteet ja maaperä eivät välttämättä ole vielä kuivuneet kokonaan edeltävän sateen vaikutuksista. SWMM-mallissa voidaan veden imeytymistä maaperään kuvata Hortonin menetelmällä, Green-Amptin menetelmällä tai käyränumeromenetelmällä (Rossman 2010). Hortonin menetelmä (Butler ja Davies 2004) perustuu empiirisiin havaintoihin, käyränumeromenetelmä puolestaan Yhdysvalloissa käytettyihin imeyntäkäyrästöihin. LID-moduulit käyttävät Green-Amptin lähestymistapaa mallintamaan imeytymistä. Vesitasapainoyhtälöt toimivat kolmen yhtälön avulla siten, että ensimmäinen yhtälö jäljittää pinnalla olevaa vesisyvyyttä, toinen yhtälö liittyy kosteuspitoisuuteen maaperässä ja kolmas yhtälö kuvaa varastokerroksen vesisyvyyttä. Rossman (2010b) sisältää yksityiskohtaiset kuvaukset LID-moduulien laskentaan sisältyvistä parametreista, yhtälöistä, virtaustermeistä jne. Kuva 18. Esimerkki käyttöliittymään syötettävistä läpäisevän päällysteen parametreista ja vastaavista input-tekstitiedostoon syötettävästä parametriformaatista. Green-Ampt -menetelmän perusolettamuksena on, että vesi imeytyy suhteellisen kuivaan maaperään terävänä, vedellä täysin kyllästyneenä rintamana (kuva 19). Rintaman eteneminen muuttaa maaperän lähtökosteuspitoisuuden (θ i ) täysin vedellä kyllästyneeksi (θ s ). Näiden kosteustilojen erotus annetaan laskennan lähtötietona M = θ s - θ i (vielä kuivan maaperän osuus, moisture deficit ). Kuivilla maalajeilla M-arvo vaihtelee tyypillisesti 0,2 < M < 0,5 riippuen maalajin sisältämästä huokoisuustilavuudesta. Alhaisemmat M-arvot liittyvät usein esikasteltuun kerrokseen. Jos maalajin hydraulinen johtavuus on K s (mm/hr), silloin Darcyn lain mukaisesti f = dl/dt = -K s H/ z, missä H/ z edustaa hydraulista gradienttia.

22 21 (31) Imeytymisen aikaansaava hydraulinen painekorkeus saadaan yhtälöstä h = h 0 + L +S f, missä h 0 = painannesäilynnän korkeus (ei yleensä sisällytetä tarkasteluun), L = jo imeytyneen (kyllästyneen) vesisyvyyden syvyys ja S f = kapillaarisen imun syvyys. Kapillaarisen imun syvyys [mm] kuvaa kapillaarista vetovoimaa maaperän huokosissa ja on suurimmillaan hienojakoisille maalajeille kuten saville. Maanpinnan ja vedellä kyllästyneen rintaman välille imeytynyt kokonaisvesimäärä on F = L ˣ M ja imeytymisnopeus f = df/dt saadaan sitten kaavalla f = Ks (1 + MS f /F). Tämä yhtälö pitää ratkaista sadannasta jokaiselle aika-askeleelle. Kuva 19. Green-Amptin imeytyminen etenevälle a) ja perääntyvälle kosteusrintamalle. 4. Esimerkkimallinnus SWMM-ohjelmistolla ja sen läpäisevän päällysteen LID-moduulilla 4.1 Johdanto Esimerkkimallinnuksessa tarkasteltiin läpäisevien päällysteiden vaikutusta pintavaluntaan käyttämällä EPASWMM-mallinnusohjelman LID-moduulia (LID = Low Impact Developement). Itse mallintaminen suoritettiin FCG:n kehittämällä FCGSWMM-ohjelmalla, jonka laskentamoottorina toimii EPASWMM-ohjelma. Esimerkkimallinnuksessa vertailtiin LID-työkalun avulla läpäisevän päällysteen vaikutusta pintavaluntaan alueella, jonne on suunniteltu paljon vettä läpäisemätöntä pintaa. Mallinnuksessa tarkasteltiin läpäisevien päällysteiden vaikutusta alueen purkuvirtaamiin verrattuna normaalitilanteeseen. 4.2 Esimerkkikohde ja mallinnusperusteet Esimerkkimallinnus toteutettiin noin 70 ha:n kokoiselle valuma-alueelle, jolle on suunnitellun maankäytön perusteella ehdotettu rakentuvan noin 20 ha:n teollisuusalue, jossa läpäisemättömän pinnan osuus on suuri. Nykytilassa tuleva teollisuusalue on rakentamatonta metsää, joten alueen valumakerroin kasvaa merkittävästi, kun vettä läpäisemättömien katto- ja asfalttipintojen määrä kasvaa. Alueen suurempi valumakerroin vaikuttaa merkittävästi alueella muodostuvaan pintavaluntaan ja purkuvirtaamiin. Kuvassa 20 on havainnollistettu mallinnettua valuma-aluetta.

23 22 (31) Kuva 20. Mallinnettu päävaluma-alue. Teollisuusalueita leimaa usein raskas liikenne, joka asettaa päällystepinnoille ja -rakenteille erityisvaatimuksia. CLASS-hankkeessa vettä läpäisevien päällysteiden tutkimus on keskittynyt kevyelle liikenteelle soveltuvien päällystepintojen tutkimukseen, joten esimerkkimallinnuksessa tulevan maankäytön ajateltiin myös olevan teollisuusalueen sijasta kevyesti liikennöityä kauppa- ja palvelualuetta. Näin läpäisevien päällysteiden hydrologisia vaikutuksia voitiin mallintaa tuoreimpien CLASS-hankkeen tutkimustulosten perusteella. Maankäytön muutosten hydrologisia vaikutuksia arvioitiin laskennallisesti vettä läpäisemättömien pintojen perusteella, koska niiltä muodostuu suurin osa hulevesistä. Suunnitellun maankäytön perusteella arvioitiin vettä läpäisemättömien pintojen osuutta, jota on kuvattu kaupunkihydrologiassa yleisesti käytetyllä käsitteellä Total Impervious Area (TIA). Siinä vettä läpäisevienkin pintojen ajatellaan olevan osittain läpäisemättömiä, eli esimerkiksi läpäiseviltä nurmipinnoilta muodostuu myös jonkin verran välitöntä hulevesivaluntaa. Tämä pätee etenkin rankkasadetilanteissa, joissa läpäisevät pinnat eivät kykene pidättämään tai imemään kaikkea niille satavaa vettä. Läpäisemättömien pintojen määrän lisäksi on huomioitava, että uudisrakentamisen myötä läpäisemättömien pintojen laatu tasoittuu ja kaltevuudet kasvavat. Näin ollen rakentaminen pienentää pintojen painanteisiin varastoituvan veden eli painannesäilynnän määrää. Tarkasteluissa käytetyt läpäisemättömän pinnan osuudet (TIA) ja painannesäilynnän ominaisarvot erilaisille pinnoille on esitetty taulukossa 1. Arvot perustuvat kirjallisuustietoihin (Kuusisto 2002; Arnell 1980). Taulukko 1. Tarkasteluissa ja hulevesimallinnuksessa käytetyt rankkasadetilanteissa pätevät pintojen TIA-arvot sekä painannesäilynnän ominaisarvot. Pinta Läpäisemättömyys (TIA) Painannesäilyntä katto 100 % 0 mm asfaltti 90 % 1 mm sorapinta 40 % 3 mm viherpinta 15 % 7 mm metsä 10 % 10 mm

24 23 (31) Arvioinnin perusteella läpäisemättömien pintojen osuus ja valumakertoimen arvo kasvavat tarkastelualueella hyvin merkittävästi. Tarkastelualueen päävaluma-aluetasolla keskimääräinen TIA-arvo nousee arvosta noin 10 % arvoon noin 45 %. Vastaavasti valumakerroin 18 mm:in rankkasateella (~1/10a, 30 min) kasvaisi nykytilan arvosta noin 0,03 arvoon noin 0,38. Muutokset eivät tapahdu kuitenkaan tasaisesti, sillä uudisrakentamisen alueella TIA-arvo kasvaa keskimääräisestä noin 10 %:in arvosta noin 90 %:iin. Valuma-alueiden hydrologiset parametrit syötettiin hulevesimalliin yhdessä suunniteltujen hulevesiviemäreiden kanssa. Tulevaa tilannetta kuvaavan hulevesimallin pohjalta luotiin skenaario, jossa asfalttipäällysteisten piha-alueiden ja parkkipaikkojen läpäisemättömät pinnat korvattiin LID-työkalun läpäisevällä päällysteellä. Esimerkkimallinnuksessa tarkasteltiin tilannetta, jossa pohjamaan oletettiin olevan vettä heikosti läpäisevää savea, jolloin hulevesien imeytyminen läpäisevien päällysteiden kautta maaperään on heikkoa. Tällöin läpäisevien päällysteiden kerrosrakenteet toimivat periaatteeltaan osittain maanalaisen viivytysrakenteen tavoin, jossa pintakerroksen läpäissyt vesi purkautuu lopulta salaojituksen kautta hulevesiviemäriverkostoon. Päällysteen huokostilavuuden täytyttyä läpäisevälle pinnalle satava vesi virtaa pintavaluntana kohti hulevesiviemäriä. 4.3 Mallinnusparametrit Mallinnuksessa käytetty läpäisevä päällyste pyrittiin luomaan sellaiseksi, että se vastaa ominaisuuksiltaan mahdollisimman hyvin todellisia käytössä olevia pysäköintialueiden päällysteitä. Läpäisevän päällysteen hydrologisien parametrien arvioinnissa hyödynnettiin myös CLASS-hankeessa kokeellisesti määritettyjä arvoja avoimelle asfaltille (Kling et al. 2015). Valmiin päällysterakenteen kantavan ja jakavan kerroksen huokoisuudeksi arvioitiin %, eli huokoslukuna käytettiin arvoa 0,33 0,66. Kerrospaksuudet arvioitiin nykyisten suunnitteluohjeiden mukaisesti olettaen että kohteen pohjamaa on heikosti kantava. Kerrokset lueteltuna pinnasta alkaen olivat: 1. asfaltti 50 mm 2. kantava kerros 150 mm 3. jakava (tuki) kerros 400 mm. Pintamateriaalin hydrologiset parametrit arvioitiin taulukon 2 mukaisesti. Läpäisevässä päällysteessä ajan myötä tapahtuvaa tukkeutumista ei mallinnettu, sillä tarkastelutilanteet rajattiin yksittäisten sadetapahtumien vaikutusten arviointiin. Mallinnuksessa käytetyt LID-parametrit on esitetty taulukossa 3. Taulukko 2. Avoimen asfaltin pintamateriaalin vedenläpäisevyys (Kling ym. 2015). Pintamateriaalin veden läpäisevyys [10 - ³ m/s] CLASS (Kokeelliset tulokset) Puhdas pinta 0,2 0,6 Tukkeutunut pinta 0,05 0,2 Puhdistettu pinta 0,08 0,27 Suunnitteluarvo (huollettuna, ajoittain puhdistettuna) 0,02 Pintamateriaalin avoin huokoisuus [%] Kirjallisuustieto Tyypillinen/optimaalinen 16

25 24 (31) Taulukko 3. Mallinnuksessa käytetyt LID-parametrit. Parametri Arvo Surface Berm Height 0 mm Vegetation Volume Fraction 0 Surface Roughness (Manning) 0,02 Surface Slope 1,5 % Side Slope 0 Pavement Thickness 50 mm Void ratio 0,19 Impervious Surface Fraction 0 Permeability Taulukko 4 Clogging Rate 0 Storage Thickness 550 mm Void ratio 0,43 Seepage rate 0 mm/h Clogging Rate 0 Underdrain Flow coefficient 0,5 mm/h Flow exponent 0,5 Offset Height 0 mm Rain Delay 0 h Tarkasteluissa on käytetty Rankkasateet ja taajamatulvat (RATU) -loppuraportin mukaisia, tarkistettuja sateen keskimääräisiä intensiteettejä yhden neliökilometrin aluesadannalle (Aaltonen ym. 2008). Sadetiedot perustuvat Suomessa vuosina tehtyihin tutkasadehavaintoihin ja vastaavat Etelä-Suomen sateita. Kohteen päävaluma-alueen mitoitussateen kestoksi määritettiin noin 30 min, joten päävaluma-alueen purkuvirtaamien mallinnuksessa on käytetty puolen tunnin pituisia sadetapahtumia. Mallinnuksessa pääasiassa käytetyt rankkasateet ovat taulukon 4 mukaiset. Taulukko 4. Mallinnuksessa käytetyt sadetapahtumat. Kesto Toistuvuus Keskim. intensiteetti Sademäärä 1/2a 0,60 mm/min 100 l/s*ha 9 mm 1/5a 0,73 mm/min 122 l/s*ha 11 mm 15 min 1/10a 0,94 mm/min 156 l/s*ha 14 mm 1/25a 1,1 mm/min 185 l/s*ha 17 mm 1/50a 1,3 mm/min 210 l/s*ha 19 mm 1/100a 1,4 mm/min 233 l/s*ha 21 mm 1/2a 0,37 mm/min 61 l/s*ha 11 mm 30 min 1/5a 0,50 mm/min 83 l/s*ha 15 mm 1/10a 0,60 mm/min 100 l/s*ha 18 mm 1/25a 0,70 mm/min 120 l/s*ha 22 mm 1/50a 0,80 mm/min 133 l/s*ha 24 mm 4.4 Mallinnustulokset Mallinnustuloksissa tarkasteltiin LID-moduulin vaikutuksia tarkastelualueen purkuvirtaamiin sekä tehtiin herkkyystarkasteluita LID-moduulin tärkeimmille parametreille. Seuraavissa kappaleissa on tarkennetusti käyty läpi mallinnustuloksia Vaikutukset hulevesien purkuvirtaamiin Mallinnustulosten perusteella uudisrakentamisalueen asfalttipintojen korvaaminen vettä läpäisevällä avoimella asfaltilla muuttaa kohteen päävaluma-alueelta muodostuvia purkuvirtaamia. Käytettäessä taulukon 5 mukaisia parametreja tarkastelualueen päävaluma-alueen huippuvirtaamat pienenivät lähes 15 %:lla kerran kymmenessä vuodessa toistuvalla 30 minuutin pituisella mitoitussateella kuvan 21 mukaisesti.

26 25 (31) Kuva 21. Purkuvirtaama teollisuusalueen päävaluma-alueelta suunnitellussa tilanteessa. Punaisella käyrällä on kuvattu tulevaa tilannetta, jossa teollisuusalue on rakennettu, eikä alueella ole hulevesien hallintajärjestelmiä. Sinisellä käyrällä on kuvattu tilannetta, jossa piha-alueiden ja parkkipaikkojen läpäisemättömät pinnat on korvattu LID-työkalun läpäisevällä päällysteellä. LID-moduulien käytön kannalta tärkeitä parametreja ovat salaojituksen purkuvirtaamiin vaikuttavat parametrit: Flow Coefficient -arvo ja Flow Exponent -arvo. Flow Coefficient vaikuttaa suoraan purkuvirtaaman suuruuteen ja Flow Exponent purkuvirtaaman potenssiin. Kuvaaja havainnollistaa salaojituksen parametrien muuttamisen vaikutuksia. Vaikka parametreilla on merkittävä vaikutus läpäisevien päällysteiden salaojien purkuvirtaamaan, pysyvät tulokset suuruusluokaltaan samankaltaisina. EPA-SWMM -ohjeiden mukaisesti Flow Coefficient - arvona suositellaan käytettävän 0,5 ja Flow Exponent -arvona 0,5, jota käytettiin myös tämän raportin muissa mallinnustarkasteluissa. Läpäisevän päällysteen salaojakerroksen purkunopeutta pienennettäessä voidaan saavuttaa kuvan 21 tuloksia hieman suurempia muutoksia hulevesien huippuvirtaamissa kuvan 22 mukaisesti. Kuva 22. Purkuvirtaama tulevan teollisuusalueen päävaluma-alueelta suunnitellussa tilanteessa. Kuvaajassa on havainnollistettu salaojituksen parametrien vaikutukset purkuvirtaamiin Pintakerroksen vedenläpäisevyys Päällystepinnan vedenläpäisevyydellä ei todettu hulevesien hallinnan kannalta olevan merkittävää vaikutusta, sillä jopa suunnitteluarvoksi ehdotettu heikoin vedenläpäisevyys 0,02 mm/s, eli 72 mm/h, riittää laskennallisesti imeyttämään lähes kerran 50 vuodessa toistuvan 15 minuutin pituisen rankkasateen (intensiteetiltään noin 78 mm/h). Kuvassa 23 on havainnollistettu tarkastelualueen päävaluma-alueen purkuvirtaamaa poikkeuksellisella, tilastollisesti kerran sadassa vuodessa toistuvalla 15 minuutin pituisella rankkasateella, jonka intensiteetti on noin 84 mm/h, 233 l/s*ha. Päävaluma-alueen purkuvirtaamien tarkastelussa on käytetty tässä esimerkissä mitoitussateen sijasta hyvin lyhytkestoista, intensiteetiltään voimakasta sadetapahtumaa, jolloin erot eri vedenläpäisevyyden arvoissa korostuvat.

27 26 (31) Kuva 23. Päävaluma-alueen purkuvirtaama poikkeuksellisella, tilastollisesti kerran sadassa vuodessa toistuvalla 15 minuutin pituisella rankkasateella. Kuvaajasta voidaan havaita, että avoimen asfaltin vedenläpäisevyydellä on erittäin vähäinen vaikutus jopa tarkasteltaessa kahta ääriarvoa, eli suunnitteluarvoa ja puhtaan pinnan maksimiarvoa. Mallinnuksessa kokeiltiin myös kirjallisuustietoon perustuvan hyvin tukkeutuneen avoimen asfaltin vedenläpäisevyysarvoa 0,004 mm/s, eli 14,4 mm/h. Tällöin purkuvirtaamien huippuarvoissa oli havaittavissa kuvan 24 mukaisesti selkeämpi, noin 12 % ero. Kuva 24. Päävaluma-alueen purkuvirtaama poikkeuksellisella, tilastollisesti kerran sadassa vuodessa toistuvalla 15 minuutin pituisella rankkasateella. Kuvaajasta voidaan havaita, että avoimen asfaltin veden läpäisevyydellä on noin 12 % vaikutus tarkasteltaessa kirjallisuustiedoista saatua erittäin tukkeutuneen avoimen asfaltin vedenläpäisevyyttä ja 72 mm/h suunnitteluarvoa. Tarkasteluissa selvitettiin myös purkuvirtaamien muutokset tarkasteltaessa yksittäisen korttelialueen purkuvirtaamia, jolloin muutokset olivat kuvan 25 mukaisesti myös samansuuruiset.