Rakentamisen aiheuttamat valuntamuutokset asuinalueilla ja vaihtoehtoisten hulevesijärjestelmien mallinnus Hydrologian päivä 5.11.214, Suomen ympäristökeskus Nora Sillanpää, Mingfu Guan, Harri Koivusalo Aalto-yliopisto, vesi- ja ympäristötekniikan tutkimusryhmä nora.sillanpaa@aalto.fi
Tavoitteet ja menetelmät KAUPUNGISTUMISEN AIHEUTTAMAT VALUNNAN JA VEDENLAADUN MUUTOKSET KAUPUNKIALUEIDEN VALUNTAONGELMIEN EHKÄISY JA RATKAISUVAIHTOEHDOT MONITOROINTI Valuma-aluetutkimus Rakennettava asuinalue, pientaloalue ja kerrostalo-alue Espoossa Monitorointijakso 5 vuotta (21-26) Mittaus: sadanta ja valunta (havaintoväli 2-1 min), automaattinen näytteenotto MALLINNUS Stormwater Management Model 5.1 (SWMM) Rakennettava valuma-alue 1) kalibroitu/validoitu malli rakennetulle asuinalueella 2) mallit vaihtoehtoisille hulevesijärjestelmille 3) vertailu rakentamista edeltäneeseen tilanteeseen (mitattu)
Rakennettava tutkimusalue Saunalahdenranta (SR) Vuonna 21: metsäalue Ala 8.5 ha 1.5 % läpäisemätöntä Vuonna 26: kerrostaloalue Ala 12 ha, 39 % läpäisemätöntä 5.11.214 Laitoksen nimi 3
Mallinnus Stormwater Management Model 5.1 (US EPA) 93 osavaluma-aluetta (ArcGIS): - DEM, korkeusmalli (Maanmittauslaitoksen digitaaliaineistot) - viemäriverkostodata - pintatyypit digitoitu manuaalisesti (24, 25, 26) - kalibrointi-/validointiaineistona sadantavaluntatapahtumia rakentamisen eri vaiheista vuosilta (24-26) - valunnan muutoksia tutkittiin kalibroidulla mallilla vuosien 21-23 sadeaineistolla, vertailu mitattuun valuntaan Lähteet: Guan, M., Sillanpää, N., Koivusalo, H. 214. Modeling and assessment of hydrological changes in a developing urban catchment. Manuscript submitted to Hydrological Processes Guan, M., Sillanpää, N., Koivusalo, H. 214. Assessment of LID practices for restoring pre-development flows in an urbanized catchment in southern Finland. Manuscript submitted to Water Science & Technology.
Rakentamisen vaikutukset valuntaan 21-23 Rakentamisen aiheuttamat valuntamuutokset riippuvat vuodenajasta: - Kesäaikana rakentaminen kasvattaa merkittävästi valunnan määrää ja virtaamahuippuja sekä lyhentää valuma-alueen viivettä - Talviaikana rakentaminen pienentää tapahtumakohtaista valuntaa 5 25 mediaani 5 1 mediaani 24 Välitön Ylivirtaama valunta (l/s) (m3) 4 2 3 15 2 1 15 Välitön valunta (m3) Ylivirtaama (l/s) 4 8 3 6 2 4 1 2? 25-26 21-23 24 25-26 Kesätapahtumat Muokattu lähteestä: Sillanpää, N. 213. Effects of suburban development on runoff generation and water quality. Aalto University DOCTORAL DISSERTATIONS 16/213. 21-22 24-25 25-26 Talvitapahtumat
Monthly Keskim. runoff valunta (mm) (mm) Keskim. Monthly valunta runoff (mm) 7 6 5 4 3 2 1 7 6 5 4 3 2 1 Rakentamisen vaikutukset valuntaan - Vaikka rakentaminen muuttaa talvella tapahtumakohtaista valuntaa, se ei pienennä talviaikaista valunnan kokonaiskertymää - Rakentaminen muuttaa talviaikaisten valuntatapahtumien ajoittumista: tapahtumien lukumäärä kasvaa ja kevätsulanta aikaistuu ja lyhenee 5.11.214 1 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Department of Civil and Environmental Engineering 1 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 LL VK Pientaloalue 2 % läpäisemätöntä Kerrostaloalue 5 % läpäisemätöntä 6
Hulevesimallinnus SWMM, Stormwater Management Model 5.1 Perinteinen erillisviemäröinti yhdistettynä muihin hulevesirakenteisiin: 1) Keskitetty ratkaisu: - Viivytysallas 2) Hajautetut ratkaisut: - Sadevesisäiliöt - Läpäisevä päällyste www.semcog.org www.lakecountyil.cov Valitut hajautetut ratkaisut ovat tyypillisiä ns. retrofit-rakenteita. Muokattu lähteestä: Guan, M., Sillanpää, N., Koivusalo, H. 214. Assessment of LID practices for restoring pre-development flows in an urbanized catchment in southern Finland. Manuscript submitted to Water Science & Technology.
Hulevesijärjestelmien vertailu Virtaama (l/s) 35 3 25 2 15 1 5 Mallinnettu: putkiviemäröity asuinalue Mitattu: rakentamaton metsäalue 1: 1:3 2: 2:3 3: 3:3 4: 4:3 Aika 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 Sadanta (mm/1 min) Muokattu lähteestä: Guan, M., Sillanpää, N., Koivusalo, H. 214. Assessment of LID practices for restoring pre-development flows in an urbanized catchment in southern Finland. Manuscript submitted to Water Science & Technology.
Hulevesijärjestelmien vertailu Virtaama (l/s) 35 3 25 2 15 1 5 Keskitetty viivytysallas Keskitetty viivytysallas Sadevesisäiliöt TAI läpäisevät päällysteet Sadevesisäiliöt Sadevesisäiliöt, JA läpäisevät läpäisevät päällysteet päällysteet ja viivytysallas 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 Sadanta (mm/1 min) 1: 1:3 2: 2:3 3: 3:3 4: 4:3 Aika 24 Muokattu lähteestä: Guan, M., Sillanpää, N., Koivusalo, H. 214. Assessment of LID practices for restoring pre-development flows in an urbanized catchment in southern Finland. Manuscript submitted to Water Science & Technology.
Johtopäätelmät Kaupungistumisen aiheuttamat valuntamuutokset: - Rakentamisen aiheuttamat valuntamuutokset ovat erilaisia eri vuodenaikoina - Kaupungistuminen kasvattaa valuntaa erityisesti kasvukaudella ja erityisesti usein toistuvien kesäsateiden valuntaa Hulevesien hallinta: - Voidaanko hulevesien hallinnalla palauttaa luonnontilainen valuntakäyrä? Ei tämän esityksen esimerkissä. - Pelkän viivyttämisen sijaan tulisi aina vähentää myös muodostuvan pintavalunnan määrää. - Yksittäisten hulevesiratkaisujen sijaan tulisi hyödyntää usean eri menetelmän yhdistelmiä. Tutkimustarpeita mm.: Valunnan ja kuormituksen muodostuminen, hajautettujen hulevesien hallintajärjestelmien kehittäminen, mallintaminen
KIITOS! Lisätietoja: Nora Sillanpää, nora.sillanpaa@aalto.fi Hulevesitutkimusta ovat rahoittaneet Euroopan aluekehitysrahasto EAKR (tuen myöntänyt viranomainen Päijät-Hämeen liitto), Suomen Akatemia, MVTT, Aalto-yliopiston Insinööritieteiden korkeakoulu, Sven Hallinin tutkimussäätiö ja Tekniikan edistämissäätiö.
Muutokset kesäaikaisissa vesisateissa Rakentaminen kasvattaa (suhteellisesti) eniten pienten ja keskisuurten sateiden aikaista hulevesivaluntaa. Valuntakerroin C VOL.5.4.3.2.1. SR, TIA 1.5% SR, TIA 32...37% <1 1-5 5-15 15-25 25-4 > 4 Sademäärä (mm) Muokattu lähteistä: Sillanpää, N. 213. Effects of suburban development on runoff generation and water quality. Aalto University DOCTORAL DISSERTATIONS 16/213. Sillanpää, N., Koivusalo, H. 214. Impacts of urbanization and event magnitude on runoff contributing area and runoff coefficients. Proceedings ICUD 214, 7.-12.9.214, Sarawak, Malesia.
Sadetapahtumien ryhmittely Sadetapahtumat voidaan jakaa kahteen ryhmään sadetapahtuman suuruuden ja valuntaa tuottavan alueen perusteella Sademäärä <17-2 mm Usein toistuva pieni/keskisuuri sade 8% kaikista tapahtumista Tehoisa läpäisemätön pinta imeytys suodatus puhdistus Sademäärä > 17-2 mm Harvoin toistuva suuri sade 2% kaikista tapahtumista Läpäisemätön ja läpäisevä pinta viivytys tulvariskien hallinta Välitön valunta (mm) Taitepiste 17 2 mm Sademäärä (mm) Muokattu lähteistä: Sillanpää, N. 213. Effects of suburban development on runoff generation and water quality. Aalto University DOCTORAL DISSERTATIONS 16/213. Sillanpää, N., Koivusalo, H. 214. Impacts of urbanization and event magnitude on runoff contributing area and runoff coefficients. Proceedings ICUD 214, 7.-12.9.214, Sarawak, Malesia.
Hulevesijärjestelmien vertailu 12 9 Mallinnettu: putkiviemäröity asuinalue 5 1 Virtaama (l/s) 6 3 Mallinnettu: hajautettu hulevesijärjestelmä Mitattu: rakentamaton metsäalue 15 2 25 3 Sadanta (mm/1 min) 17: 18: 19: 2: 21: 22: 23: Aika 1: 1:3 2: 2:3 3: 3:3 4: 4:3 Aika 35 Muokattu lähteestä: Guan, M., Sillanpää, N., Koivusalo, H. 214. Assessment of LID practices for restoring pre-development flows in an urbanized catchment in southern Finland. Manuscript submitted to Water Science & Technology.