Översilningsytor: Hydrologisk modellering av påverkansfaktorer för avrinning och infiltration

Abstract (Swedish)

Lokalt omhändertagande av dagvatten (LOD) har blivit allt vanligare i Sverige idag för att uppehålla och rena vårt dagvatten innan det släpps ut till recipienten. Vanliga anläggningar är dammar, våtmarker och svackdiken. En anläggning som inte har fått lika stort genomslag är översilningsytan. Trots att det inte anläggs så många rena översilningsytor så är det ett koncept som används mycket, och då framförallt vid rening av vägdagvatten i vägslänter. Översilningsytorna i vägslänter bildas som en positiv bieffekt vid konstruktionen av en väg. Då vägen konstrueras är det många aspekter att ta hänsyn till, bl.a. säkerhet, hållbarhet och avrinning, varför översilningsytan kanske inte får en optimal utformning. Trots att översilningsytor är brett använda finns det bristande kunskap om deras funktion, och vilka faktorer som är av störst betydelse för avrinning och infiltration.

Syftet med examensarbetet är att ta reda på de påverkansfaktorer som är av störst betydelse för avrinning och infiltration av vägdagvatten över en översilningsyta. I studien undersöks även hur översilningsytan reagerar på regn med olika återskomsttid och varaktighet. Arbetet har genomförts på uppdrag av DHI Sverige AB.

Med hjälp av en basmodell i modelleringsverktyget MIKE SHE har en känslighetsanalys av särskilt intressanta påverkansfaktorer för avrinnig och infiltration genomförts. Faktorer som undersökts närmare är grundvattennivå, underliggande jordart, lutning, längd, fördröjningsmagasin (Detention Storage), Mannings tal, vegetation, nederbörd och fördelningsanordning. För att avgöra parametrarnas betydelse har vattenbalanser, det totala utflödet, ytavrinning och grundvattenflödet ut från slänten tagits fram från simuleringsresultaten och studerats närmare.
Vid underökning av hur översilningsytan reagerar på regn med olika återskomsttid och varaktighet genomfördes simuleringar på basmodellen med olika regnserier. I regnserierna användes regn med återkomsttider på 10, 5 och 2 år, samt varaktigheter på 10 min, 2 h och 24 h. Från simuleringarna studerades påverkan på maxflödet och den totala utflödesvolymen från översilningsytan.

Simuleringsresultaten från känslighetsanalysen visar att grundvattennivån i slänten, och därmed också den omättade zonens storlek, är av stor betydelse för översilningsytans funktion vad gäller avrinning och infiltration. Grundvattennivån i slänten styrs till stor del av grundvattennivån i släntfoten och den hydrauliska konduktiviteten på jorden i den mättade zonen. Konduktiviteten bör vara stor för att gynna transporten och minska risken för uppdämning av grundvatten. Det är av extra stor vikt att grundvattennivån hålls på en låg nivå tidigt i slänten, då det är här belastningen med förorenat vatten från vägen är som störst.
Jordarten i slänten är inte bara viktig för den mättade zonen, utan spelar också stor roll för infiltrationen i den omättade zonen. Jordarten bör ha goda vattenhållande egenskaper samtidigt som den bör ha en god infiltrationskapacitet. Studien visar också på betydelsen av översilningsytans längd. Släntens längd bör anpassas till belastning och meteorologiska förhållanden så att utrymme ges för infiltration. Resultaten visar att en förändring av släntens lutning ger en inverkan på den omättade zonens storlek, och därmed även översilningsytans reningsförmåga.
Faktorer som Detention Storage och Mannings tal visade sig ha mycket liten betydelse för simuleringsresultaten, likasom då vegetationen består av äng. Vid en vegetation bestående av en blandning av gräsmatta, träd och buskar minskade däremot det totala utflödet från slänten.
Översilningsytan visade sig också ha en god förmåga att reducera maxflöden såväl som flödesvolymer ut från slänten. Reduktionsförmågan varierade något mellan de olika regnförhållandena, men resultatet tyder ändå på att översilningsytan lämpar sig väl för att minska belastningen på nedströms anläggningar.
Simuleringsresultaten visar att det viktigaste vid anläggning av översilningsytor är egenskapen på de underliggande jordmaterialen och avståndet till grundvattnet. Längd, lutning, vegetation och belastning är sedan faktorer att styra och anpassa efter lokala förhållanden.

Abstract

Local treatment of storm water has become more and more common in Sweden today, in order to retain and treat it before it is let out to the recipient. Common constructions are wet ponds, wetlands and swales, but one type of construction that has not had its break through yet is the vegetated filter strip. Even though there are few designed vegetated filter strips constructed the concept is widely used, especially for treatment of highway runoff in roadside slopes.
Vegetated filter strips at roadsides are positive side effects of the construction of a road. When a road is constructed there are a lot of aspects to consider, for instance safety, durability and runoff, which is why the vegetated filter strip may not get the optimal design in the aspect of water treatment. Even though vegetated filter strips is a widely used concept there is a lack of knowledge about their function and the factors which are the most important for runoff and infiltration.

The aim of this study is to find out which parameters are of most importance for runoff and infiltration of highway runoff over a vegetated filter strip. The vegetated filter strip’s response to different rain events, such as return period, duration and intensity will also be investigated. The study has been made on commission by DHI Sverige AB.

With help from a base model in the modeling tool MIKE SHE a sensitivity analysis of parameters of particular interest has been made. Parameters that have been investigated are groundwater level, underlying soil type, slope, length, detention storage, Manning number, vegetation, precipitation, and a level spreader. In order to determine the importance of the parameters the total outflow, surface runoff and the groundwater flow out from the slope have been extracted from the simulation results and further studied.
To investigate how the vegetated filter strip reacts to rain of different return periods and durations, simulations with different rain series were made on the base model. In the rain series rain with the return periods of 10, 5 and 2 years, and durations of 10 minutes, 2 h and 24 h were used. From the simulations, the effect on the maximum flow and the total effluent volumes from the vegetated filter strip were studied.

The simulation results from the sensitivity analysis show that the groundwater level in the slope, and therefore also the size of the unsaturated zone, are of great importance for the runoff and infiltration of the vegetated filter strip. The groundwater level in the slope is to a large extent affected by the groundwater level in the foot of the slope and the hydraulic conductivity of the soil in the saturated zone. The conductivity should be high to favor the transport of groundwater, and to reduce the risk of groundwater damming. It is of extraordinary importance that the groundwater is kept at a low level in the beginning of the slope as it is here that the load from the road is the greatest.
The soil type in the slope is not only important for the saturated zone, but also plays a large role for the infiltration in the unsaturated zone. The soil type should have good water holding capacity as well as a good infiltration capacity. The study also shows the importance of the vegetated filter strip length. The length of the slope should be adapted to the load and the meteorological conditions in order to allow infiltration. The results show that a change of the slope angle has an affect on the size of the unsaturated zone, and therefore also the treatment capacity of the vegetated filter strip.
The detention storage and Manning number parameters were of minor importance for the simulation results. Also of minor importance for the water balance was if the vegetation consisted of meadow. For vegetation with a mixture of grass, trees and shrubs, the total effluent out from the slope was decreased.
The vegetated filter strip also proved to have a good ability to reduce the maximum flow, as well as the effluent volumes from the slope. The reduction ability varied somewhat between the different rain conditions, but the result still suggest that the vegetated filter strip it suitable to reduce the load on the downstream facilities.
The simulation results show that the most important parameters when constructing vegetated filter strips are the characteristics of the underlying soil and the distance to the groundwater. Length, slope, vegetation and load are factors that need to be controlled and adapted to the local conditions.

• author: Waltersson, Malena
• supervisor: Magnus Persson; Lars-Göran Gustafsson
• organization: Division of Water Resources Engineering
• course: VVR820 20091
• year: 2010
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: infiltration, översilningsytor, vägdagvatten, avrinning, MIKE SHE, känslighetsanalys
• publication/series: TVVR10/5008
• report number: 10/5008
• ISSN: 1101-9824
• language: Swedish
• additional info: Examiner: Ronny Berndtsson
• id: 1579711
• date added to LUP: 2010-03-26 08:10:24
• date last changed: 2019-03-27 13:49:45