Modelling source area contributions of stormwater pollutants for stormwater quality management

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2017-09-25
Department
Major/Subject
Vesi- ja ympäristötekniikka
Mcode
R3005
Degree programme
Yhdyskunta- ja ympäristötekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
39+2
Series
Abstract
For quality management of stormwater and design of decentralized Low Impact Development (LID) systems, it is important to evaluate the source area contributions of stormwater pollutants. Monitoring of urban runoff quality requires extensive resources and thus modelling is often utilized. However, practitioners are often experienced in rainfall-runoff modelling, but the practical knowhow on water quality modelling is scarce. For this reason, this study was motivated by the need to assess stormwater quality modelling for establishing management practices. One objective was to assess stormwater quality modelling with literature based Event Mean Concentrations (EMC) for surface types and evaluate the relevance of different source areas in a typical spatial scale of a residential catchment (~10 ha). A second objective was to model decentralized filtration structures and evaluate their impacts on catchment scale runoff and pollutant loads. A residential catchment of Vallikallio in Espoo, Finland, was modelled with US EPA Storm Water Management Model (SWMM). Rainfall, runoff and water quality data from the catchment outlet was utilized in the modelling and in the assessment of the results. Impermeable areas, such as parking areas, walkways, roads and roofs contributed the majority of the runoff volume and pollutant loads. The simulated pollutant loads were highly variable and the pollutant generation was impacted by weather conditions and source area characteristics, such as the contributing area and material. Based on the source area modelling, LID management scenarios with bioretention cells and permeable pavements were formed. The LID scenarios on parking areas, roads and walkways reduced the amount of surface runoff and pollutant loads on a catchment scale to different extent, depending on the LID location and the pollutant considered. A combination of decentralized LIDs located on different impermeable source areas could be the most effective management option for targeting different pollutants. Modelling stormwater quality with SWMM proved to be challenging, since the runoff and pollutant contributions of source areas were not directly obtainable and since the pollutant removal rates of the LIDs were not considered in SWMM. Analyzing the local rainfall and runoff distributions proved that in quality management and load reduction, the focus should be on intermediate sized storms. The EMC values used in this study can be utilized in modelling of similar catchments, as long as the uncertainties are recognized. Identifying the critical source areas and using long-term rainfall data when modelling pollutant loads is important for design of LIDs and management of stormwater quality.

Hulevesien laadullisen hallinnan ja hajautettujen LID-rakenteiden (Low Impact Development) suunnittelussa on tärkeää tunnistaa hulevesien kuormituslähteet. Paljon resursseja vaativan hulevesien laadun monitoroinnin sijaan hyödynnetään usein veden laadun mallinnusta. Suunnittelijat ovat kokeneita sadannan ja valunnan mallintajia, mutta tietoa vedenlaadun mallintamisesta on vähän. Tästä syystä tätä tutkimusta motivoi tarve kehittää hulevesien laadun mallinnusta osana hallintamenetelmien kehittämistä. Työn tavoitteena oli tarkastella hulevesien laadun mallinnusta hyödyntäen kirjallisuuteen perustuvia huleveden keskimääräisiä pitoisuuksia (Event Mean Concentration, EMC) erilaisille pintatyypeille sekä arvioida eri kuormituslähteiden merkitystä asuinaluetason (~10 ha) hajakuormituksessa. Toisena tavoitteena oli mallintaa hajautettuja suodatusrakenteita sekä arvioida niiden vaikutuksia valuma-aluetason valuntaan ja kuormitukseen. Työssä mallinnettiin espoolainen asuinalue Vallikallio US EPA SWMM-mallilla (Storm Water Management Model). Tulosten mallinnuksessa ja arvioinnissa hyödynnettiin valuma-alueelta kerättyä sadannan, valunnan ja vedenlaadun mittausaineistoa. Vettä läpäisemättömät alueet, kuten pysäköintialueet, kävelytiet, ajotiet ja katot, tuottivat valtaosan hulevesien valunnasta ja kuormituksesta. Mallinnetut kuormitukset vaihtelivat suuresti ja kuormituksen syntyyn vaikuttivat sääolosuhteet sekä kuormituslähteiden ominaispiirteet, kuten alueen koko ja materiaali. Kuormituslähteiden mallinnustulosten pohjalta muodostettiin LID-hallintaskenaarioita biosuodatusrakenteilla ja läpäisevillä päällysteillä. Pysäköintialueille, ajoteille ja kävelyteille kohdennetut LID-skenaariot vähentivät valunnan määrää sekä kuormitusta valuma-aluetasolla eri suuruisesti, riippuen LID-rakenteen sijainnista ja haitta-aineesta. Eri LID-tekniikoiden yhdistelmät sijoitettuna läpäisemättömien pintojen yhteyteen voisi olla tehokkain hallintavaihtoehto erilaisten haitta-aineiden käsittelemiseksi. Hulevesien laadun mallintaminen SWMM:llä osoittautui haastavaksi, sillä eri kuormituslähteiden osuutta valunnasta ja kuormituksesta ei ole suoraan saatavissa eikä SWMM huomioi haitta-aineiden pidättymistä LID-rakenteeseen. Paikallisen sadannan ja valunnan jakauman tarkastelu osoitti, että hulevesien laadun hallinnassa ja kuormituksen vähentämisessä tulisi keskittyä keskikokoisiin sadetapahtumiin. Tässä työssä käytettyjä EMC-arvoja voi hyödyntää vastaavien valuma-alueiden mallinnuksessa, kunhan epävarmuudet huomioidaan. Kriittisten kuormituslähteiden määrittäminen ja pitkäaikaisten sadanta-aineistojen käyttö mallintamisessa on tärkeää LID-rakenteiden suunnittelussa ja huleveden laadun hallinnassa.
Description
Supervisor
Koivusalo, Harri
Thesis advisor
Sillanpää, Nora
Hyöty, Perttu
Keywords
stormwater pollution, event mean concentration, low impact development, SWMM, water quality modelling, source area
Other note
Citation