Avrinningskoefficienten – dess relation till regnintensitet och bidragskoefficienten utifrån fallstudier i södra Sverige

Abstract

In order to increase the knowledge regarding how the runoff coefficient varies with increased rainfall intensity, a literature study and calculations in Excel were conducted. The background to how the tabled values of the runoff coefficient have been determined was found to be a book based on an assembly of answers to a survey collected from different companies in USA. The book is called Design and construction of sanitary and storm sewers and is written by the American Society of Civil Engineers (ASCE) and Water Pollution Control Federation (WPCF) in the 1960’s.

The study involves seven catchment areas in Sweden, four of which were smaller than 20 hectares, one a tad larger than 20 hectares and two much larger areas. The rational method was utilized in order to study how the runoff coefficients varies with increased rainfall intensity, both mean and peak intensity. Since this method requires the area to be less than 20 hectares, only the five smallest areas were used in this part of the study. For the three largest areas, the study regarded how the contribution coefficient varied with increasing rain volume instead.
Where the contribution coefficient was estimated as the percentile of a rain event that generates surface runoff.

The resulting graphs over how the runoff coefficient varies with increasing rain intensity showed no significant trend. This does not support the theory where the runoff coefficient increases with increasing rainfall intensity. One must therefore wonder if the utilized method isinadequate. The rational method is simplified as it assumes that the whole catchment area is active during every rain event which is not necessarily the case. Furthermore, the rainfall intensity is assumed constant over the whole area and rain event which rarely is the case in reality. Apart from this the rain gauges, used to collect the data in this project, only collects data in the exact spot it is located and they were not always close to the flow measurement for the area in question. Based on this, the rain data does not necessarily correspond with the actual rain event in the area. Besides this the flow could have been affected by the surrounding environment, leading to a registered flow lower than it should be.

There was no clear trend in the graphs visualizing how the contribution coefficient varies with the rain volume. When studying the relationship between the total flow and the rain volume a positively linear trend was found.

The weighted runoff coefficient was calculated for the seven catchment areas. These values were compared with the graphs displaying how the runoff coefficient varies with the rainfall intensity for that same area. It was noted that a few of the values in the graphs were higher than the corresponding value of the weighted runoff coefficient which implies that the values of the tabled runoff coefficients may be too low.

Since no origin of the runoff coefficient has been found one possibility is that it is the same as the contribution coefficient. One way to estimate the value of the coefficient is to perform laboratory tests in large scale were different types of surfaces and angles are being exposed to artificial rains. It would be preferable if different types of surfaces obtained interval values were the higher number would represent extreme rainfall events. In future studies it is also of importance to evaluate how the rainfall frequency and duration will affect the surface.

Abstract (Swedish)

För att se vilken inverkan regnets intensitet har på avrinningskoefficienten gjordes en litteraturstudie samt beräkningar i Excel. Litteraturstudien visar att de tabellerade värdena på avrinningskoefficienten är framtagna genom en undersökning där ett formulär sändes ut till privata och offentliga kontor i USA där de angav vilka värden på avrinningskoefficienten de brukar använda. Resultatet är presenterat i boken Design and construction of sanitary and storm sewers skriven av American Society of Civil Engineers (ASCE) och Water Pollution Control Federation (WPCF) från år 1960 och det är denna bok som många rapporter och böcker hänvisar till vid presenterande av vilka avrinningskoefficienter som används.

Sju avrinningsområden i Sverige har legat i fokus, varav fyra var under 20 hektar, ett område var lite drygt 20 hektar och de övriga två var betydligt större. Rationella metoden användes för att undersöka hur avrinningskoefficienten varierar med regnets intensitet, både medel- och peakintensitet. Då denna metod kräver att området är mindre än 20 hektar studerades sambandet enbart för de fem minsta områdena. För de tre största områdena uppskattades hur bidragskoefficienten, andelen regn som bildar ytavrinning, varierar med regnvolym.

De resulterande graferna över hur avrinningskoefficienten varierar med regnintensitet visar inte på någon tydlig trend. Detta stödjer inte teorin där avrinningskoefficienten ökar med ökad regnintensitet. Därför måste en fundera över om metoden som använts är bristfällig. Vid beräkningar med rationella metoden görs förenklingen att arean antas motsvara hela avrinningsområdet vilket inte nödvändigtvis är fallet för varje regnevent. Även regnintensitet för ett regnevent antas vara konstant över hela området vilket sällan är fallet i verkligheten. Regnmätare som registrerat regndata för detta arbete har mätt nederbörd endast i punkten den är placerad vilket inte alltid varit så nära flödesmätaren i området. Därmed motsvarar insamlad regndata inte nödvändigt de regnevent som fallit över området. Utöver detta kan det uppmätta flödet påverkats av omgivningen vilket kan ha gjort att det är lägre än det borde vara.

Graferna över hur bidragskoefficienten varierar med regnvolym visade inte på någon tydlig trend. När totala flödesvolymens relation till regnvolymen studerades kunde en positiv linjär trend urskiljas.

Sammanvägda avrinningskoefficienten beräknades för de sju studerade avrinningsområden. Dessa jämfördes med graferna över hur avrinningskoefficienten varierar med regnintensitet för
samma område. Det konstaterades att en del värden i graferna var högre än motsvarande sammanvägda avrinningskoefficient vilket tyder på att värdena på de tabellerade avrinningskoefficienterna kan vara för låga.

Eftersom avrinningskoefficientens ursprung är okänt finns det en möjlighet att koefficienten är densamma som bidragskoefficienten. Ett sätt att uppskatta värden på koefficienten är att göra laboratorieförsök i stor skala där olika ytor med varierande lutning utsätts för artificiella regn. Fördelaktigt vore om olika typer av ytor fick intervallvärden där det övre värdet representerar extrema regnevent. Att även utvärdera hur regnfrekvensen samt regnets varaktighet påverkar underlaget är av vikt vid framtida studier.

Popular Abstract (Swedish)

Klimatförändringarna förväntas medföra regnfall med hög frekvens och intensitet i Sverige. En kombination av detta, urbaniseringen och ett föråldrat ledningsnät ökar risken för översvämningar. Hur ska vi göra för att minimera dessa risker?

Risken för framtida översvämningar av våra gator och hus måste minimeras. För att bukt med detta problem måste en först ta reda på hur stor del av regnet som skapar ett vattenflöde och därmed översvämningsrisk. För att få en uppskattning om storleken på detta flöde kan den rationella metoden användas. Enligt metoden beror flödet på regnets intensitet, det drabbade områdets area och dess sammanvägda avrinningskoefficient.

Den sammanvägda avrinningskoefficienten beskriver hur stor del av regnet som genererar ett vattenflöde för det aktuella området. Sett ovanifrån består ett område ofta av olika typer av ytor, såsom asfalt, gräs och stensatta ytor. En stor del av det vatten som faller på en gräsyta tränger igenom marken medan det mesta som faller på ett hustak rinner bort (förutsatt att du inte har en läcka i taket…). På grund av denna skillnad har varje typ av yta en egen avrinningskoefficient som antar ett tabellerat värde mellan 0,0 och 1,0. Värdet för avrinningskoefficienten för en gräsyta är lågt medan det för stensatta ytor är högt. En annan koefficient är bidragskoefficienten. Den beräknas som totala flödesvolymen dividerat med regnvolymen för ett regnevent och antar även den ett värde mellan 0,0 och 1,0.

Delar av Sveriges föråldrade ledningsnät kan vara dimensionerat baserat på de tabellerade avrinningskoefficienterna. På grund av detta och förväntade regn med högre intensitet undersöktes om det finns ett samband mellan avrinningskoefficienten och regnets intensitet. En teori föreslår att avrinningskoefficienten ökar med ökad regnintensitet. Resultaten i examensarbetet visade däremot inte på ett tydligt samband varken för regnintensitetens inverkan på avrinningskoefficienten eller regnvolymens inverkan på bidragskoefficienten. En förklaring till att det inte finns ett samband mellan avrinningskoefficienten och regnintensiteten kan vara att rationella metoden inte är tillräckligt avancerad för att kunna återspegla verkligheten. Alternativt finns det inte ett samband mellan dessa. Ett samband kunde däremot urskiljas mellan bidragskoefficienten och den totala regnvolymen.

Trots detta återstår det faktum att det kommer bli regnigare och därmed måste praktiska åtgärder vidtas för att förebygga översvämningar på oönskade platser. Utöver att bygga större ledningar kan öppna dagvattenlösningar användas. Detta är ett samlingsnamn för bland annat dammar, diken och gröna tak vars uppgift är att fördröja regnvatten för att undvika för högt tryck på ledningsnätet. Detta eftersom ett överbelastat ledningsnät kan orsaka översvämningar.

Bakgrunden till hur de tabellerade avrinningskoefficienterna har tagits fram undersöktes utan framgång. En möjlighet är att avrinnings- och bidragskoefficienten är samma koefficient.
Eftersom avrinningskoefficienten även ingår i andra metoder bör dessa värden ses över och eventuellt uppdateras. Detta kan göras genom experiment där olika typer av ytor bevattnas och
andelen regn som genererar flöde uppskattas.

Om du inte vill simma till jobbet bör du tänka till en extra gång innan du stensätter din uppfart och uteplats. För naturens damm är snällare än den i din källare!

• author: Grönvall, Therese and Ek, Linnea
• supervisor: Salar Haghighatafshar
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVAM05 20181
• year: 2018
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: avrinningskoefficient, bidragskoefficient, ytavrinning, regnintensitet, water engineering, environmental engineering, avloppsteknik, vatten försörjningsteknik
• language: Swedish
• id: 8951376
• date added to LUP: 2018-06-21 14:37:58
• date last changed: 2018-06-21 14:37:58