Infiltrationskapacitet för grönytor vid skyfall

Transkript

1

2

3 Infiltrationskapacitet för grönytor vid skyfall - Infiltrationsförsök och modellering i MIKE 21 TRITA-LWR Degree Project ISSN X LWR-EX 2017:10

4

5 Sammanfattning I världen idag pågår en urbanisering, vilket innebär att fler människor flyttar in till städerna. Det innebär att fler bostäder måste byggas för att uppfylla de nya behoven, och detta görs ofta genom förtätning av redan exploaterade områden. Vid förtätning av bostadsområden ökar ofta andelen hårdgjorda ytor. En hårdgjord yta är en icke permeabel yta där dagvatten inte kan infiltrera ner i marken utan istället bildar ytavrinning. Vattnet som avrinner färdas mot lågpunkter i terrängen vilka riskerar att översvämmas. Klimatförändringar väntas leda till häftigare väder, bland annat i form av skyfall. Kraftigare regn i kombination med större andel hårdgjorda ytor väntas öka risken för pluviala översvämningar. För att undvika pluviala översvämningar krävs strategier för att hantera städers dagvatten. Det existerande ledningsnätet är högt belastat och kombineras med hållbara dagvattenlösningar för att minska avrinningen. Grönytor ses ofta som goda infiltrationsytor, men en osäkerhet råder kring hur effektiva olika typer av grönytor är. Det är därför av intresse att undersöka hur goda infiltrationsytor urbana grönområden är och hur stor betydelse de har vid skyfall för att minimera pluviala översvämningar. Syftet med examensarbetet är att undersöka infiltrationskapaciteten för grönytor på ett antal olika platser i Stockholm. Syftet är vidare att undersöka hur resultaten från fältförsöken kan användas i det hydrauliska modelleringsprogrammet MIKE 21 för att återspegla det verkliga infiltrationsförloppet och därmed få en god bild av hur stora översvämningsriskerna är för olika områden. Totalt utfördes 13 separata mätningar i två grönområden i Stockholm. Vid 11 av mätningarna användes en dubbelringsinfiltrometer och vid två av mätningarna användes en enkelringsinfiltrometer. Mätningarna utfördes under 0,5-2 timmar beroende på vattentillgång. Infiltrationsförsöken visade att det finns en stor variation i infiltrationskapacitet, även inom mycket små områden. De visade också att det finns en tendens till högre infiltrationskapacitet för mindre kompakterade grönytor. Kornstorleksfördelningen och vattenhalten skiljde sig inte nämnvärt mellan de två områdena och dessa två parametrar kunde inte kopplas till någon skillnad i infiltrationskapacitet för de två undersökta områdena. Resultaten från simuleringarna i MIKE 21 visade att vilka värden som anges för infiltrationskapaciteten är av större betydelse än på vilket sätt dessa anges. Resultaten visade också att parametrar såsom vattenhalt och porositet hade en inverkan på infiltrationsförloppet men infiltrationszonens mäktighet hade liten inverkan på resultaten. Sammanfattningsvis kan sägas att det finns en stor variation i infiltrationskapacitet för grönytor och den osäkerheten påverkar resultaten vid modellering av översvämningsrisker i MIKE 21. Nyckelord Skyfall, infiltrationskapacitet, grönytor, pluviala översvämningar, MIKE 21

6

7 Abstract The ongoing urbanization in the world today means that more people are moving into the cities and therefore more housing is required. When building in cities there is a tendency for an increase in impermeable surfaces. An impermeable surface is defined as a surface where no water can infiltrate into the subsurface soil and instead there is an increase in surface runoff. The water flows through the terrain towards low-lying areas, which are at risk for flooding. Climate changes are expected to result in more extreme weather such as extreme rain. An increase in extreme rain in combination with more impermeable surfaces will increase the risk for pluvial flooding. To avoid pluvial flooding different strategies is required to cope with the urban stormwater. The traditional stormwater systems are usually put under high stress and sustainable stormwater management needs to be implemented to decrease the surface runoff in urban areas. Green areas are often thought to be good infiltration surfaces but there is a big uncertainty in regards to exactly how effective different green areas is for infiltration purposes. There is an interest to investigate how good the infiltration capacity is for urban green areas to map and to mitigate pluvial flooding. The aim for this master thesis is to investigate the infiltration capacity through field measurements for two different green areas in the city of Stockholm, Sweden. Furthermore, the aim is to investigate how the results from the field measurements can be implemented in the hydraulic modelling software MIKE 21 to represent the real infiltration pattern in order to map the risk for pluvial flooding for different areas. A total of 13 measurements were conducted in two green areas around Stockholm, using a double ring infiltrometer. For two of the measurements a single ring infiltrometer was used. The measurements were conducted during h depending on the water accessibility. The field measurements showed that there is a large variability in infiltration capacity, even within very small areas. The measurement showed that there was a tendency for higher infiltration rates for less compacted soil. The grain size distribution showed little impact on the infiltration rate, and so did the water content. The simulations in MIKE 21 showed that the magnitude of the infiltration rate is of more importance than the way it is implemented in MIKE 21. The results also showed that parameters such as water content and porosity had an effect on the infiltrated volume, but the depth of the infiltration zone had little impact on the results. In conclusion, there is a large variability in infiltration capacity for green areas and this uncertainty does affect the results when modelling the risk for pluvial flooding in MIKE 21. Keywords Extreme rainfall, infiltration capacity, green areas, pluvial flooding, MIKE 21

8

9 Förord Jag vill tacka min handledare, tillika examinator, Bo Olofsson på KTH som genom sin erfarenhet och handledning varit till ovärderlig hjälp under examensarbetet. Vidare vill jag också tacka Robert Earon för hans stöd och hjälp inte bara under examensarbetet, utan under hela min master. Jag vill tacka min handledare Sofia Thurin på WSP för hennes stora engagemang och värdefulla hjälp under hela arbetet. Vidare vill jag också tacka Joakim och Maja för deras stöd. Ett extra tack till hela vattenbyggnadsavdelningen på WSP Stockholm som välkomnat mig och gett mig en fantastisk arbetsmiljö under våren. Vidare vill jag tacka DHI för utlåning av en studentlicens till MIKE 21, och Stockholm Vatten för att de delat markanvändningskartan över Stockholm. Det här examensarbetet hade heller inte varit möjligt utan all hjälp jag fått från mina föräldrar, Anders och Annika. De har ställt upp på alla tänkbara sätt och varit ett enormt stöd inte bara under examensarbetet utan under alla mina fem år på KTH och alla skolår dessförinnan. Slutligen vill jag tacka Olivia och Carl-Fredrik för er påhejning, nyfikenhet och strategiska vägledning. Ni är fantastiska! Tack!

10

11 Innehållsförteckning Sammanfattning... Nyckelord... Abstract... Keywords... Förord... Begrepp Inledning Mål och Syfte Projektets frågeställlningar och upplägg Avgränsningar Metod Litteraturstudie Fältförsök Bakgrund Urbanisering Pluviala översvämningar Klimatförändringar Förändring i nederbördsmönster fram till RCP klimatscenarior Dagvattenhantering Sveriges dagvattensystem Hållbara dagvattenlösningar Den hydrologiska cykeln Nederbörd Skärmverkan Ytavrinning Infiltration Perkolation Infiltration Definition och beskrivning av begreppet Hortons ekvation Faktorer som påverkar infiltrationen Mätmetoder för infiltrationskapacitet... 17

12 5.7 Tidigare forskning på området Infiltrationsmätningar, material och metod Områdesbeskrivning Undersökningsplatser och mätpunkter Rålambshovsparken Val av metod Dubbelringsinfiltrometer Metod dubbelringsinfiltrometer Jordprovsanalys Resultat fältförsök Mätomgång 1, Norra Djurgården 29/ Mätomgång 2, Norra Djurgården 31/ Mätomgång 3, Rålambshovsparken 10/ Mätomgång 4, Rålambshovsparken 2/ Resultat jordprovsanalys Anpassning av parametervärden för Hortons ekvation Modellering i MIKE Beskrivning av mjukvara Processer och parametrar Nederbörd Markråhet Infiltration Översvämmade och torra beräkningsceller Metod och modell Material Områdesbeskrivning Val av modul Topografi Simuleringsperiod Flood and dry Initial surface elevation Nederbörd Infiltration Viskositet... 41

13 Markråhet Resultat MIKE Diskussion Infiltrationsförsök Mätningar Norra Djurgården Mätningar Rålambshovsparken Jämförelse mätresultat med tidigare studier Slutsatser från infiltrationsförsöken Modellering i MIKE Generell diskussion Skyfallsmodellering som beslutsunderlag vid riskbedömning Infiltrationskapacitet och dagvattenstrategier Rekommendationer och framtida forskning Slutsats Referenser... 60

14 Figur 1. Schematisk bild över hållbar dagvattenhantering (Länsstyrelsen i Skåne län, 2009)... 7 Figur 2. Exempel på åtgärder som klassas som hållbara dagvattenlösningar (Stockholm Vatten, 2016b)... 8 Figur 3. Hydrologiska cykeln SMHI, 2014a)... 9 Figur 4. Avrinningssystem i urbana områden (Svenskt Vatten, 2016b)... 9 Figur 5. Regnintensiteter och varaktigheter för regn med olika återkomsttid. (Stockholm Vatten, 2016b) Figur 6. Schematisk bild över infiltrationshastigheten över tid samt infiltrerad och avrunnen mängd vatten. (Hiscock och Bense 2014) Figur 7. Typisk infiltrationskurva enligt Hortons ekvation samt regnintensitet. (Hiscock och Bense, 2014) Figur 8. Dubbelringsinfiltrometer (Hiscock och Bense 2014) Figur 9. Bilden t.v. visar en tredimensionell plot för sandiga jordar och bilder t.h. visar en tredimensionell plot för leriga jordar. (Pitt, 1999) Figur 10. Foto över Norra Djurgården utifrån GSD-Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet. Mätplatserna markerade med rött Figur 11. Foto över Rålambshovsparken utifrån GSD-Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet. Mätplatserna markerade med rött Figur 12. Infiltrationskapacitet för mätning 1.1.a, 1.1.b och 1.1.c gjorda på Norra Djurgården 29/ Figur 13. Infiltrationskapacitet för mätning 2.1.a (1 i grafen) och 2.1.b (2 i grafen) gjorda på Norra Djurgården 31/ Figur 14. Infiltrationskapacitet för mätning 3.1.a och 3.1.b gjorda i Rålambshovsparken 10/ Figur 15. Infiltrationskapacitet för mätning 4.1.a, 4.1.b och 4.1.c gjorda i Rålambshovsparken 2/ Figur 16. Infiltrationskapacitet för mätningar utförda i Rålambshovsparken den 2/6-2017, mätomgång Figur 17. Infiltrationskapacitet för mätning 4.2.c i Rålambshovsparken 2/6-2017, mätomgång Figur 18. Fem av mätningarna från mätomgång 4.1 och 4.2 samt den anpassade hortonkurvan till den genomsnittliga infiltrationskapaciteten Figur 19. T.v. syns en schematisk bild över infiltrationen då den anges med constant infiltration with capacity. T.h. syns detsamma för net infiltration. (DHI, 2016) Figur 20. Avrinningsområde för Rålambshovsparen skapad utifrån GSD-Höjddata, grid 2+ Lantmäteriet. Bakgrundsbild GSD-Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet Figur 21. Batymetri som använts i MIKE 21 skapad utifrån GSD-Höjddata, grid 2+ Lantmäteriet Figur 22. Fördelning av regnmängd under ett regnevent (Centre for Ecology and Hydrology 1999) Figur 23 Markanvändningskarta samt teckenförklaring för avrinningsområdet (Stockholm Vatten, 2016) Figur 24. Rålambshovsparken med punkterna a-e utplacerade. Bakgrundsbild GSD- Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet... 43

15 Figur 25. Maximal utbredning av vattendjup över 1dm där scenario 5 syns i rosa, 7 i grönt och 11 i lila. Bakgrundsbild GSD-Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet Figur 26. Infiltrerad volym vatten ber beräkningscell. Grafen visar hur den infiltrerade vattenvolymen beror på infiltrationskapaciteten samt infiltrationszonens mäktighet Tabell 1. Procentuell ökning av korttidsnederbörd med 10 års återkomsttid jämfört med (Svenskt Vatten, 2016a)... 5 Tabell 2. Avrinningskoefficient för olika typer av ytor, baserade på ett 10-årsregn. (Svenskt Vatten, Tabell 3. Sandiga jordar, uppskattning av parametrar till Hortons ekvation (Pitt 1999) Tabell 4. Leriga jordar, uppskattning av parametrar till Hortons ekvation (Pitt 1999) Tabell 5. Infiltrationskapacitet för olika jordarter sammanställda av Lindblad (1981) Tabell 6. Infiltrationskapacitet samt humus- och vattenhalt för mätningarna i Göteborg (Wedel refererad i Lindblad, 1981) Tabell 7. Genomsnittlig infiltrationskapacitet för mätningarna på markytan respektive 30 cm djup. (Kaufman och Röine refererade i Lindblad, 1981) Tabell 8. Benämning av de olika infiltrationsmätningar som utförts samt de jordprov som tagits Tabell 9. Initialvärden och slutvärden för infiltrationskapaciteten vid mätomgång 1 samt medelvärden Tabell 10. Initialvärden och slutvärden för infiltrationskapaciteten vid mätomgång 2 samt medelvärden Tabell 11.. Initialvärden och slutvärden för infiltrationskapaciteten vid mätomgång 3 samt medelvärden Tabell 12. Initialvärden och slutvärden för infiltrationskapaciteten vid mätomgång 4.1 samt medelvärden Tabell 13. Initialvärden, slutvärden och medelvärden för två av mätningarna utförda i Rålambshovsparken den 2/6-2017, mätomgång Tabell 14. Initialhastighet samt sluthastighet för mätning 2c, utförd i Rålambshovsparken den 2/6-2017, mätomgång Tabell 15. Siktningsanalys och jordartsbestämning för jordproverna Tabell 16. Vattenhalt och halt av organiskt material för jordproverna Tabell 17. Regnvolym samt regnintensitet för de fem tidssteg som regneventet delats upp i Tabell 18. Parametervärden där infiltrationskapaciteten angetts med net capacity för varje tidssteg utifrån framtagna Horton-kurvor Tabell 19. Parametervärden för de olika scenarierna som simulerats i MIKE 21 där infiltrationen angetts som constant infiltration with capacity Tabell 20. Värden för markråheten för de olika områdestyperna som finns representerade i avrinningsområdet. (WSP, 2015)... 42

16

17 Begrepp Avrinningsområde Ett avrinningsområde begränsas av en vattendelare, vilken skiljer ett avrinningsområde från ett annat. På enda sidan av vattendelare rinner vattnet ned i ett avrinningsområde, på den andra sidan i ett annat. Blockregn Ett regn där intensiteten är den samma genom hela regneventet. Bräddning När avloppsvatten avleds till recipient då avloppets förutbestämda flöde till reningsverket överskrids. Dagvatten Ytligt avrinnande regn- och smältvatten. Ofta syftar ordet på vatten från hårdgjorda ytor såsom hustak, vägar och parkeringsytor. (Svenskt Vatten, 2004) Dränvatten Vatten i mark som avleds med hjälp av dränering. (Svenskt Vatten, 2016b) Dubbelringinfiltrometer Mätinstrument för att mäta infiltrationskapacitet för olika ytor (Eijelkamp Soil and Water, 2015) Duplikatsystem Avloppssystem där spillvatten och dagvatten avleds i skilda ledningar. (Svenskt Vatten, 2016b) Fördröjningsmagasin Ett fördröjningsmagasin är ett magasin som byggs i anslutning till stora regnvattenavledningar. Dessa kan också anläggas naturligt i form av våtmarker och dammar. (Svenskt Vatten, 2016b) Fördröjning vid källan Typ av LOD som ger vattnet möjlighet att antingen fördröjas eller infiltrera nära källan, exempelvis parkeringsplatser och andra ytor som görs halvpermeabla. (Länsstyrelsen Skåne län, 2009) Hydraulisk konduktivitet En jord- eller bergarts vattengenomtränglighet med hänsyn till vätskans egenskaper. (Knutsson & Morfeldt 2002) Hållbar dagvattenhantering Hållbar dag- och dränvattenhantering, ett samlingsbegrepp för det som tidigare benämndes Lokalt Omhändertagande av Dagvatten (LOD). (Svenskt Vatten, 2016b) Hårdgjord yta En sådan yta där vatten inte kan infiltrera marken utan allt regnvatten och smältvatten rinner snabbt ut till sjöar och vattendrag eller ansamlas i lågpunkter.

18 Infiltrationskapacitet Den maximala hastighet som vatten kan infiltrera markytan vid en viss tidpunkt under givna förutsättningar Infiltrationsyta Term som enligt definition kan tillskrivas alla markytor som släpper igenom vatten. (Hård, Jonasson och Holm, 1979) Kombinerade system Avloppssystem där spillvatten och dagvatten avleds i gemensam ledning. Vanliga i äldre områden. (Svenskt Vatten, 2016b) LOD Lokalt Omhändertagande av Dagvatten (LOD). En förkortning, som historiskt använts som ett samlingsnamn för olika typer av lokal hantering av dagvatten. (Svenskt Vatten, 2016b) MIKE 21 Hydrauliskt modelleringsprogram som ofta används för att simulera översvämningsrisker i urbana områden till följd av skyfall (DHI, 2017) Pluviala översvämningar Översvämningar till följd av kraftiga regn (MSB, 2013) RCP klimatscenarior Klimatscenarior som används vid olika typer av framtidssimuleringar. Bygger på hur mycket utsläppen av växthusgaser förväntas öka jämfört med en nollnivå (Svenskt Vatten, 2016a) Regnintensitet Regnintensitet menas den regnvolym som faller över ett område under ett visst tidsintervall. Ett regn med högre regnintensitet upplevs som kraftigare än ett med längre intensitet. Separatsystem En form av dagvattensystem där spill- och dränvatten avleds i rörledning och dagvatten avleds i dike. (Svenskt Vatten, 2016b) Skyfall Regn med en intensitet på minst 50 mm/h eller 1 mm/min (SMHI, 2017a) Trög avledning Trög avledning innebär att dagvattnet så långt möjligt hanteras inom de ytor där regnet faller innan det avleds i öppna system eller rörsystem. (Svenskt Vatten, 2016b) Varaktighet Under hur lång tid ett regnevent pågår. Återkomsttid Tidsintervall (i medeltal, sett över en längre tidsperiod) mellan regn- eller avrinningstillfällen för en viss given intensitet och varaktighet. (Svenskt Vatten, 2016)

19 1. Inledning Nästan överallt i världen sker idag en urbanisering, vilket innebär att människor i allt högre grad flyttar in till städer. Detta betyder att nya bostäder byggs vilket ofta sker genom antingen en förtätning av redan befintlig bebyggelse eller genom exploatering av tidigare naturområden. Den förändrade markanvändningen leder ofta till att tidigare naturliga ytor ersätts av olika typer av konstruktionsmaterial såsom betong eller asfalt. Dessa typer av material är ofta impermeabla vilket betyder att det regn som faller på sådana ytor inte ges någon möjlighet att infiltrera ner i marken utan sprids över markytan som ytavrinning. Vattnet som rinner av på markytan samlas antingen upp av städernas dagvattensystem, eller fortsätter rinna längs med gator och andra färdvägar till lågpunkter i terrängen som i många fall översvämmas. (SCB, 2010) Klimatförändringar innebär inte bara en ökning av jordens medeltemperatur, utan väntas också leda till häftigare väder som exempelvis skyfall. En mer extrem väderlek i kombination med tätare bebyggelse skapar större risk för översvämningar i urbana områden. (SMHI, 2012) För att undvika översvämningar i urbana miljöer krävs strategier för att hantera städernas dagvatten. Dagvattensystemen i svenska städer är generellt designade för att kunna hantera ett regn med en återkomsttid på 5-10 år. Det innebär att för regn med längre återkomsttider kommer systemen inte kunna ta hand om allt vatten som faller och städerna är därför beroende av att en del av vattnet kan infiltrera ner genom markytan eller leds till platser där det kan ansamlas utan att orsaka någon skada. Många av avloppssystemen i Sverige är så kallade kombinerade avloppssystem vilket innebär att avloppsvatten och regnvatten leds i samma nät, och problem med bräddning kan därför uppstå vid kraftiga regn. (Svenskt Vatten, 2016a) För att minska belastning på det befintliga rörledningssystemet krävs det att kompletterande system utformas, främst genom att fördröja och avleda dagvatten i öppna system, men också genom att underlätta för infiltration i urbana miljöer genom att minska på andelen hårdgjorda ytor. (Theland, 2015) Urbana grönytor i såväl innerstad och i förortsområden är därför viktiga permeabla ytor där en del av regnvattnet kan infiltrera och därmed inte leda till ytterligare påfrestning för dagvattensystemen och heller inte riskera att bidra till översvämningar. Det är känt att grönytor ofta kan fungera som bra infiltrationsytor (Svenskt Vatten, 2016a) men exakt hur mycket vatten som infiltrerar, och hur dessa värden varierar mellan olika typer av grönytor, är inte lika väl undersökt. Eftersom mycket när det gäller framtiden är osäkert, görs ständigt scenariomodelleringar på allt från energianvändning till ökade havsnivåer för olika klimatscenarior. Det görs även skyfallsmodelleringar för städer, där regnintensitet och storlek och kvalité på grönytor är viktiga parametrar. För att kunna göra dessa modelleringar så tillförlitliga som möjligt, behövs ytterligare kunskap kring grönytors infiltrationskapacitet och även för hur detta kan implementeras i modelleringsprogrammen. 1

20 2. Mål och Syfte 2.1 Projektets frågeställningar och upplägg - Hur ser dagvattenhanteringen ut idag i svenska städer? - Vad är infiltration och vilka faktorer påverkar infiltrationsförloppet? - Hur stor är infiltrationskapaciteten för olika typer av grönytor? - På vilka sätt kan infiltrationskapaciteten anges i MIKE 21 vid skyfallskartering för urbana miljöer, och hur påverkar de modellens infiltrationsförlopp? Examensarbetet har bestått av två huvuduppgifter; dels att genom infiltrationsförsök ta fram värden för infiltrationskapaciteten för olika grönytor i Stockholmsområdet och dels att med hjälp av dessa resultat undersöka hur infiltrationsmodulen i MIKE21 kan användas vid skyfallskarteringar. Den största utmaningen med projektet har varit att kunna utföra tillräckligt många infiltrationsförsök av god kvalité för att kunna få fram tillförlitliga resultat. Ytterligare en utmaning har varit att att bedöma vad som kan anses vara tillförlitliga resultat. Undersökningen har omfattat en litteraturstudie, en praktisk del i form av infiltrationsförsök samt en utredning hur resultaten för infiltrationsförsöken kan omvandlas till input till MIKE21. Det råder idag stor osäkerhet kring infiltrationskapacitet hos olika grönytor varför resultaten från detta examensarbete kan leda till säkrare bedömningar av sannolikhet för skyfallsöversvämningar i urbana miljöer i Sverige. 3. Avgränsningar För att rymmas inom tidsramarna för ett examensarbete kommer endast två typer av grönytor inom Stockholmsområdet undersökas med infiltrationsförsök. Arbetet kommer endast att ta hänsyn till den mängd vatten olika grönytor kan väntas ta om hand vid skyfall. Reningsmöjligheter och eventuella risker för spridning av föroreningar kommer inte att utredas. På samma sätt tas heller ingen hänsyn till vattenkvalitén vid simuleringarna i MIKE 21. Vidare syftar studien till att ge en fingervisning om hur infiltrationsmodulen i MIKE 21 kan användas vid modellering av urbana skyfallskarteringar, och ämnar således inte att ge en heltäckande analys av infiltrationsmodulen. 4. Metod 4.1 Litteraturstudie En litteraturstudie har genomförts för att ge bakgrund och sammanhang till examensarbetet. Studien har behandlat regnmönster och klimatförändringar, den naturliga och den urbana hydrologiska cykeln samt hur Sveriges dagvattensystem ser ut idag. Vidare har litteraturstudien behandlat infiltration mer ingående samt tidigare resultat från forskning inom området. 2

21 4.2 Fältförsök Ett antal fältförsök har utförts i två områden i Stockholm. Syftet med fältförsöken har varit att mäta infiltrationskapaciteten i jorden för olika grönytor. Mätningarna har utförts dels i ett område norr om centrala Stockholm där markanvändningen klassades som betesmark eller parkmark och dels i Rålambshovsparken på Kungsholmen i Stockholms innerstad. Försöken utfördes med hjälp av en dubbelringsinfiltrometer. 4.3 Modellering i MIKE 21 Som en avslutande del i examensarbetet har resultaten från fältförsöken använts vid ett antal typsimuleringar i det hydrauliska modelleringsprogrammet MIKE 21. Data för infiltrationskapacitet, vattenhalt samt jordart vid fältförsöken har använts som indata i modellen i MIKE 21. Detta har gjorts för att studera hur infiltrationen kan beskrivas i beräkningsprogrammet för att så bra som möjligt beskriva det verkliga infiltrationsförloppet. Resultaten har också studerats i syfte att se hur stor påverkan infiltrationskapaciteten har på hur mycket vatten som infiltrerar respektive rinner av beroende på markens lutning och läge i avrinningsområdet. 5. Bakgrund 5.1 Urbanisering Den pågående urbaniseringen runt om i världen leder till en förändrad markanvändning i storstadsområdena. Som exempel kan nämnas att världens stadsbefolkning växte från 220 miljoner till 2.8 miljarder under 1900-talet. När fler invånare flyttar in i städerna ökar kraven på att bebygga mark med nya bostäder. Det kan antingen göras genom att anlägga bostäder på hittills obebyggda områden eller genom att förtäta redan befintlig bebyggelse. I Sverige har tätortsarealen ökat från hektar till ca hektar under de senaste 50 åren. (SCB, 2010) Generellt består exploaterade områden av mer hårdgjorda ytor och därför ökar avrinningen vid kraftiga regn eftersom infiltrationsmöjligheterna minskar (Huang m fl 2007). Från ett högexploaterat område kan 80-90% av den totala årsnederbörden förväntas avrinna medan samma siffra för ett naturområde är 30-50% (MSB, 2013) 5.2 Pluviala översvämningar Extremväder i form av skyfall i kombination med ökad urbanisering och större andel hårdgjorda ytor innebär enkelt uttryckt att stora regnmängder ska infiltrera på mindre ytor, vilket ökar risken för pluviala översvämningar. Pluviala översvämningar får ofta en rad olika konsekvenser. Översvämningarna i sig behöver nödvändigtvis inte vara ett problem utan det är först när de orsakar skador och genererar värdeförluster som de blir problematiska. I stadsmiljöer utgörs ledningssystemet ofta av kombinerade system vilket betyder att avloppsvatten och regnvatten rinner i samma ledningar. Vid kraftiga regn överskrids ledningssystemens kapacitet och avloppsvatten riskerar att tränga upp och bli stående på markytan och vägar vilket leder till risk för smittspridning. (MSB, 2013) 3

22 Ett ytterligare problem med urbaniseringen är att översvämningar i storstadsområden ofta orsakar större skada, både materiell, ekonomisk och social, än vad den hade gjort i ett mindre glesbefolkat område. 5.3 Klimatförändringar Dagens klimatförändringar kommer sannolikt innebära ett förändrat nederbördsmönster med ökad nederbörd och kraftigare väder, såsom skyfall (SMHI, 2012) Förändring i nederbördsmönster fram till 2100 SMHIs nuvarande bedömning (2015) av framtida ökning av nederbördsintensiteten för häftiga regn redovisas i tabell 1 i nästa stycke. Eftersom kraftiga skyfall har en slumpmässig geografisk fördelning förutsätts ökningen gälla generellt för Sverige. (Svenskt Vatten, 2016a) Vid extrapolering till ett regn med 100 års återkomsttid ökar osäkerheten för den beräknade nederbörden vilken därför måste ses som synnerligen approximativ. Generellt indikerar resultaten en marginell ökning av nederbörden jämfört med en återkomsttid på 10 år. Uttryckt i siffror är den framtida ökningen av regn med 100 års återkomsttid knappt en procentenhet större än medelvärdena i tabell 1. (Svenskt Vatten, 2016a) RCP klimatscenarior Eftersom framtidens utsläppsnivåer för växthusgaser är osäkra används olika scenarier, Representative Concentration Pathways (RCP), som beskriver hur växthuseffekten kan komma att förstärkas i framtiden. Scenarierna har döpts till respektive scenarios strålningsdrivning vilken har enheten watt per kvadratkilometer. De olika klimatscenarierna beror på hur atmosfärens sammansättning kan komma att förändras och de syftar till att ge information om klimatförändringar vid olika halter av växthusgaser i atmosfären. Syftet med RCP:erna är inte att försöka förutse framtiden, utan att ge konkreta exempel hur kraftiga klimatförändringarna kan bli till följd av halten av växthusgaser i atmosfären. De olika scenarierna är namngivna efter den nivå av antropogen, mänsklig, strålningsdrivning som uppnås år Jämförelsen görs med nivån växthusgaser i atmosfären innan industrialismen. Exempelvis avser RCP4.5 en koncentration av växthusgaser som genererar en strålningsdrivning på 4.5W/m 2 år 2100, jämfört med år (SMHI, 2014b) Här nedan listas de fyra scenarier som brukar användas: - RCP8,5 fortsatt höga utsläpp av koldioxid - RCP6,0 koldioxidutsläppen ökar fram till RCP4,5 - koldioxidutsläppen ökar fram till RCP2,6 koldioxidutsläppen kulminerar omkring år 2020 Tabell 1 nedan beskriver den uppskattade procentuella ökningen av korttidsnederbörd med 10 års återkomsttid jämfört med perioden Beräkningarna har gjorts för olika varaktigheter för scenarierna RCP 4,5 och RCP 8,5. Siffrorna är framtagna för regn med en återkomsttid på 10 år, men SMHI konstaterar att siffrorna för 100 års-regn skiljer sig i snitt med 1 procentenhet från de värden som redovisas i tabellen. Viktigt att notera är att extrapolering till regn med 100 års återkomsttid ökar osäkerheten kring mängden nederbörd vilket gör att värdena endast är approximativa. (Svenskt Vatten, 2016a) 4

23 Tabell 1. Procentuell ökning av korttidsnederbörd med 10 års återkomsttid jämfört med (Svenskt Vatten, 2016a) Varaktighet (%) (%) Medel RCP4.5 Hög RCP8.5 Medel RCP4.5 Hög RCP minuter timme timmar timmar Eftersom nederbörden i framtiden förväntas öka enligt tabell 1 ovan, används ofta en så kallad klimatfaktor för att denna ökning ska tas med vid modellering av framtidsscenarier. Enligt kunskapsläget 2015 bör en klimatfaktor på minst 1,25 användas för regn med kortare varaktighet än en timme och en klimatfaktor på minst 1,2 bör användas för varaktigheter på upp till ett dygn. Klimatfaktorn multipliceras med den nederbörd som skulle använts i dagsläget och är densamma för hela Sverige (Svenskt Vatten, 2016b). 5.4 Dagvattenhantering För att kunna hantera det dagvatten som ansamlas och flödar genom urbana miljöer, och förhindra att det hamnar på oönskade platser, har det byggts dagvattensystem vars uppgift är att leda bort just oönskat överskott av dagvatten. Ett av de största problemen vid skyfall är att dagvattensystemen inte klarar av att ta hand om allt regn som faller, då dessa oftast är designade för ett regn med en återkomsttid på 10 år. (MSB, 2013) När naturmark exploateras förändras regnvattnets naturliga avrinningsförhållanden eftersom regnvattnet varken kan tas upp av växtligheten eller infiltrera ner i marken. Detta leder ofta till en ökas avrinning vilket kan skapa problem i urbana miljöer. (Länsstyrelsen i Skåne län, 2009) För att samla upp överflödigt vatten och avloppsvatten byggdes slutna ledningsnät i städerna. Från början var dessa kombinerade system vilket kan skapa problem med breddning vid stora regnmängder. Efterhand började man bygga separerade ledningssystem och senare byggdes duplikatsystem. (Länsstyrelsen i Skåne län, 2009) Sveriges dagvattensystem Kombinerade system Fram till 1950 dominerade det kombinerade ledningsnätet vilket innebär att dagvatten och avloppsvatten blandas i ledningsnätet och ger risk för breddning vid skyfall. (MSB, 2013) I de kombinerade systemen avleds spill-, dag- och dränvatten i en och samma ledning. 13 % av dagens avloppsnät är idag kombinerade ledningar. För att minska risken för översvämningar från ledningsnäten installerades bräddavlopp där höga avloppsflöden tillåt avledas orenade till recipienten. (Svenskt Vatten, 2016b) Separatsystem. I städernas ytterområden under första halvan av 1900-talet anlades även separatsystem. 5

24 Spillvattenledningen avleder här också vatten från husgrundsdräneringar medan dagvattnet hanteras i ytliga diken. Spillvattenledningar kan bli överbelastade om exempelvis fastighetsägare felaktigt leder ned dagvatten till spillvattenledningarna. Besvärande marköversvämningar kan uppstå om dagvattendikena inte underhålls eller till och med fylls igen. (Svenskt Vatten, 2016b) Duplikatsystem Duplikatsystem innebär att spillvatten och dagvatten avleds i skilda ledningar. Övergången till duplikatsystemen skedde successivt från 1950-talet. På 1980-talet växte insikten fram om det olämpliga i att pumpa och rena vatten från husgrundsdränering i avloppsreningsverken. Under en kortare period anslöts dräneringen med självfall till dagvattenledningen. Det innebar en risk för att dagvatten strömmar bakåt i dagvattenservisen när dagvattenledningen blev överbelastad. Vatten kunde därmed tryckas upp mot grundmurar och tränga in i källare om grundmuren var otät. (Svenskt Vatten, 2016b) Hållbara dagvattenlösningar Fram till mitten på 1970-talet sågs dagvatten som ett problem som så fort som möjligt skulle transporteras bort till närmsta recipient, men från 1990-talet och framåt har synen på dagvatten som en resurs vuxit fram. Sedan början på 2000-talet har begreppet hållbar dagvattenhantering varit allmänt tillämpat och syftar till att efterlikna naturens sätt att stoppa upp regnvattnet och uppehålla det under kontrollerade former innan det kan infiltrera ner genom jordlagren eller ledas till lämplig recipient. Hållbara dagvattenlösningar benämndes tidigare med uttrycket lokalt omhändertagande av dagvatten, LOD, vilket var ett begrepp som skapades på 1970-talet. LOD fokuserade dock bara infiltration av dagvatten vilket ansågs vara ett alltför snävt synsätt då även fördröjning ingår i dagens hållbara dagvattenhantering. (Svenskt Vatten, 2016b) Samtliga lösningar är ämnade att antingen minska ytavrinningen eller avleda den till områden där den inte riskerar att orsaka skada. De olika åtgärderna är mer eller mindre lämpliga beroende på vilken typ av regn de är ämnade att ta om hand. (Länsstyrelsen i Skåne län, 2009) En schematisk bild av olika typer av öppna dagvattenlösningar visas i figur 1. 6

25 Figur 1. Schematisk bild över hållbar dagvattenhantering (Länsstyrelsen i Skåne län, 2009) Dagens öppna dagvattenhantering innefattar två steg. Det första steget är lokalt omhändertagande av dagvatten, LOD, vilket innebär att omhändertagandet av dagvatten sker lokalt. För mindre fastigheter och verksamheter handlar det ofta om olika typer av infiltrationsmetoder såsom gröna tak, medan det för större verksamheter även kan innefatta magasin och diken. Det andra steget i dagvattenhanteringen är att på olika sätt ta hand om vattnet på allmän platsmark. Fördröjning vid källan innebär att vattnet tillåts infiltrera nära källan. Infiltration kan ske på ytor som traditionellt sett inte är permeabla såsom parkeringsytor och refuger, om dessa konstrueras av ett permeabelt material. (Länsstyrelsen i Skåne län, 2009) Trög avledning är exempelvis gräsbevuxna svackdiken samt makadamfyllda infiltrationsdiken. Dessa lösningar ger ökade magasineringseffekter samt skapar avgränsning av vattnets väg (Länsstyrelsen i Skåne län, 2009). Diken innebär god förmåga till magasinering och flödesutjämning samt möjligheter för infiltration genom dikesbotten och väggen (Hård, Jonasson och Holm 1979) Fördröjningsmagasin kan utformas både i friktions- och kohesionsmaterial. Perkolationsmagasin i friktionsjord är magasin som byggts med material med stor hålrumsvolym som makadam och singel. Magasin i kohesionsmaterial förläggs till de ytliga marklagren när torrskorpa bildas. Dessa magasins huvudfunktion är flödesutjämnande. (Hård, Jonasson och Holm 1979) För att skapa en hållbar dagvattenhantering krävs det att dagvattenfrågan kommer in tidigt i planeringsprocessen. Detta ger bland annat fördelar vad gäller säker höjdsättning för byggnader, möjlighet till att skapa fördröjning och infiltration av dagvatten samt möjligheter till att reservera stora markytor för uppsamlande av stora regnmängder vid skyfall. Dessutom ger det ofta grönare samhällen med ökad trivsel som följd. (Svenskt Vatten, 2016a) Bilden i figur 2 är hämtad från Svenskt Vatten (2016b) och visar olika typer av hållbar dagvattenhantering. Här ser vi exempel såsom gröna tak, utledning av dagvatten på gräsmatta, öppen avledning samt ett avrinningsstråk. 7

26 Figur 2. Exempel på åtgärder som klassas som hållbara dagvattenlösningar (Stockholm Vatten, 2016b) 5.5 Den hydrologiska cykeln Vatten är en essentiell del i de flesta delar av dagens samhälle: Allt från rent dricksvatten, hygien till transport, byggande och i industrier. Den naturliga hydrologiska cykeln ser ut som nedan, men när vi bygger, tar upp vatten och orsakar klimatförändringar påverkar människan denna cykel. Enligt Svenskt Vatten ska alla ingrepp göras med så liten inverkan som möjligt på den naturliga cykeln. I urbana miljöer brukar man ofta kunna se en minskad infiltration och en ökad ytavrinning. Även perkolationen påverkas av underjordiskt byggande och avdunstningen kan öka till följd av mer hårdgjorda ytor. (Hård, Jonasson och Holm 1979) Figur 3 beskriver den naturliga hydrologiska cykeln där regn faller, som antingen tas upp direkt av växter, rinner av markytan, avdunstar eller infiltrerar markytan. Den mängd vatten som infiltrerar tas antingen upp av växtrötter eller perkolerar ner till grundvattenmagasinet. (SMHI, 2014a) 8

27 Figur 3. Hydrologiska cykeln SMHI, 2014a) I urbana miljöer påverkas den hydrologiska cykeln av byggnader och infrastruktur såväl ovan som under mark. Bilden i figur 4 är hämtad från Svenskt Vatten (2016b) och visar avrinningssystem i urbana områden. Figur 4. Avrinningssystem i urbana områden (Svenskt Vatten, 2016b) Tät bebyggelse innebär ofta mindre vegetation vilket minskar växternas skärmverkan och möjlighet att ta upp och fördröja nederbörden. En stor andel hårdgjorda och impermeabla ytor minskar infiltrationen vilket gör att avrinningen ökar. Dagvattenledningar är nödvändiga för att klara av att transportera vattnet bort från bebyggda områden till recipienter eller reningsverk Nederbörd Moln består av mycket små vattendroppar, iskristaller eller underkylda vattendroppar. Iskristallerna växer ofta till sig och bildar snöflingor vilka faller till marken när de blivit 9

28 tillräckligt tunga. De smälter sedan till regndroppar när de passerar genom varma luftlager. Vid varma breddgrader bildas regndroppar direkt. (SMHI, 2017a) Oftast förekommer regn när två luftmassor möts och själva gränsområdet brukar definieras som en front. Den varmare luftmassan tvingas upp över den kallare och när den kyls av bildas moln. När dessa blir tillräckligt tjock kan regn uppkomma. (SMHI, 2017b) Under sommarhalvåret uppstår ofta regnskurar till följd av konvektion. Den marknära luften tillförs värme och skapar en vertikal cirkulation. Är luften tillräckligt fuktig bildas moln och nederbörd börjar falla som regnskurar. Moln som bildas genom konvektion är i regel ganska begränsade i sin horisontella utbredning. Då de uppträder på lokal nivå är det svårt att i en längre väderprognos ange exakt var skurarna kommer falla. (SMHI, 2017b) Extrem nederbörd och återkomsttider Hur stor regnvolym som faller under ett regnevent är beroende av såväl regnintensitet som varaktighet. Om en större mängd nederbörd faller på kort tid används ibland uttrycket skyfall, vilket av SMHI definieras som ett regn vars intensitet överstiger 50 mm på en timme eller 1 mm på en minut. (SMHI 2017a) De mest framträdande exemplen på extremnederbörd i Sverige och dess närhet är: - Köpenhamn 2011 då 150 millimeter föll under två timmar, vilket är mer än dubbelt så mycket som ett 100-årsregn och skulle statistiskt kunna beskrivas som ett årsregn. - I Malmö föll 2014 ett regn som hade en statistisk återkomsttid på upp emot 400 år. Olika kraftiga regnevent har olika långa återkomsttid. Med återkomsttid menas med vilken frekvens ett visst regn förväntas återkomma. Ett regnevent med en återkomsttid på 10 år förväntas uppträda i snitt en gång vart tionde år, medan ett regn med 100 års återkomsttid förväntas uppträda en gång vart hundrade år. Återkomsttiden för ett regnevent beror dels på dess intensitet och dels på dess varaktighet. Exempelvis är ett regn som pågår i 40 min med en intensitet på 200 l/s ha ovanligare än ett regn som pågår i 40 min men har en intensitet på 160 l/s ha. Figur 5 visar hur ett regnevents återkomsttid, intensitet och varaktighet hänger ihop (Svenskt vatten, 2016b). Exempelvis återkommer ett regn med 20 minuters varaktighet och en intensitet på 200 l/s ha lika ofta som ett regn med 40 minuters varaktighet och en intensitet på 130 l/s ha lika ofta statistiskt sätt. Som jämförelse brukar städers dagvattensystem dimensioneras för regn med återkomsttider på 5-10 år, medan scenariosimuleringar för städer ofta undersöker effekter från regn med längre återkomsttider då dessa ofta saknar referenser från verkligheten eftersom sådana regn förekommer så pass sällan. 10

29 Figur 5. Regnintensiteter och varaktigheter för regn med olika återkomsttid. (Stockholm Vatten, 2016b) Skärmverkan Skärmverkan, också kallad interception, är den process i vattenmodellen där nederbördsvatten fångas upp och kvarhålls på vegetationen. Interceptionen beror på en mängd faktorer så som vegetationens interceptionskapacitet, vindhastighet, evaporation, regnfrekvens, nederbördstyp, vegetationstyp och morfologi. Interceptionskapaciteten är störst vid ett regns början. (Hård, Jonasson och Holm 1979) Den del av nederbörden som når ner till marken varierar beroende på vilken typ av vegetation som förekommer i området. Det uppstår en viss så kallad skärmverkan genom vegetationen, vilket innebär att en del av nederbörden inte når marken utan avdunstar eller tas upp direkt från/av vegetationen. Skärmverkan är stor i skog, speciellt tät granskog. En väldigt liten del når där ytan direkt men kan nå ytan senare i form av droppar eller genom att vattnet rinner längs med trädgrenen. I en öppen lövskog når en större del av nederbörden marken. Även i lägre växtlighet som gräs och örter förekommer skärmverkan men till mindre grad. Grader av skärmverkan beror även på hur regnet faller. Skärmverkan kan uppgå till det tredubbla om regnet kommer som korta och intensiva regnskurar eftersom vattnet som fångats upp då hinner avdunsta emellan skurarna. (Knutsson och Morfeldt 2002) Ytavrinning Den del av nederbörden som inte infiltrerar ner i marken eller stoppas upp på markytan kommer rinna av som ytavrinning. Avrinningen påverkas bland annat av regnintensiteten, markytans storlek, infiltrationskapaciteten samt markytans råhet. I tabell 2 visas avrinningskoefficienter för olika typer av ytor. Exempelvis kommer ca 90 % av nederbörden som faller på ett tak avrinna medan samma siffra för skogsmark är 0-1 %. Avrinningskoefficienterna är angivna för ett 10-årsregn på ytor med måttliga lutningar. För andra förhållanden och för regn med längre återkomsttider måste siffrorna justeras. 11

30 Tabell 2. Avrinningskoefficient för olika typer av ytor, baserade på ett 10-årsregn. (Svenskt Vatten, 2004 Typ av yta Avrinningskoefficient Tak 0,9 Betong- och asfaltyta, berg i dagen i stark lutning 0,8 Stensatt yta med grusfogar 0,7 Grusväg, starkt lutande bergigt parkområde utan nämnvärd 0,4 vegetation Berg i dagen i inte alltför stark lutning 0,3 Grusplan och grusad gång, obebyggd kvartersmark 0,2 Park med rik vegetation samt kuperad bergig skogsmark 0,2 Odlad mark, gräsyta, ängsmark m.m. 0-0,1 Flack tätbevuxen skogsmark 0-0, Infiltration Infiltration definieras som vattnets nedträngande genom markytan och beror på ett flertal faktorer såsom vattenhalt i jorden, kompakteringsgrad, vegetation på markytan samt jordart och porvolym. Begreppet beskrivs närmare i avsnitt Perkolation Vattnets rörelse ner genom den omättade zonen till grundvattenytan. 5.6 Infiltration Definition och beskrivning av begreppet Enligt Knutsson och Morfeldt (1973) definieras begreppet infiltration som en vätskas inträngande i poröst material eller sprickförsedd kropp, t.ex. vattens inträngande i jordlager eller berglager. Infiltrationen följs av perkolationen vilken enligt samma författare definieras som en långsam rörelse (hos vatten) genom lager av poröst material. Hur mycket vatten som kan infiltrera genom markytan bestäms av jordens infiltrationskapacitet vilken bestäms av ett flertal faktorer. I stort kan sägas att infiltrationskapaciteten för grönytor bestäms av vattnets förmåga att tränga ner genom markytan, markens eventuella växtlighet, vattnets rörelse ner genom den omättade zonen samt jordens lagringskapacitet. Vidare anses jordens infiltrationskapacitet bestämmas av den av dessa faktorer som är begränsande. (Pitt, 1999) Vattnets maximala rörelse genom infiltrationszonen bestäms av det underliggande jordlagret och lagringskapaciteten beror på jordens egenskaper såsom kornstorlek, vittringsgrad, jordlagrets mäktighet samt vattenhalt. (Pitt, 1999) Infiltrationen består av ett flertal steg. Den kan definieras som den vertikala rörelsen av vatten genom markytan och ner genom jordlagren. Vatten som infiltrerat genom ytan kan antingen samlas upp i jordens lagringskapacitet, eller perkolera ner till undre jordlager. (Siriwardene, 2003) Infiltrationen ner genom markytan antas vara den viktigaste begränsande faktorn vid ett regn vilket innebär att när jorden blivit mättad kommer det mesta av det fortsatta regn som 12

31 faller bli ytavrinning. Vid skyfall uppstår ofta ytavrinning eftersom infiltrationskapaciteten för det översta jordlagret är mindre än intensiteten för regnet. (Pitt, 1999) Infiltrationskapaciteten är den maximala hastighet med vilken vattnet kan infiltrera. Det anses svårt att bestämma infiltrationsparametrar som representerar ett helt avrinningsområde eftersom det ofta finns en stor variation av både jordart och markanvändning. Vid ett regn eller annan typ av bevattning infiltrerar vatten genom jordytan där markytan är permeabel. Om regnintensiteten överstiger infiltrationskapaciteten vid en viss tidpunkt kommer vatten dämmas upp på marken. Då är även infiltrationshastigheten och infiltrationskapaciteten lika stora. Om däremot infiltrationskapaciteten överstiger regnintensiteten kommer infiltrationshastigheten istället bestämmas av regnintensiteten vilket figur 6 visar. Det är en schematisk bild som visar hur mycket vatten som infiltrerar respektive avrinner vid regnintensiteten i och infiltrationskapacitet f t enligt kurvan. Markerat i blått syns den mängd vatten som infiltrerar under regneventet och markerat i rött synd den mängd vatten som kommer avrinna på marken. (Hiscock och Bense 2014) Figur 6. Schematisk bild över infiltrationshastigheten över tid samt infiltrerad och avrunnen mängd vatten. (Hiscock och Bense 2014) Generellt har jordar med grövre textur och kornstorlek högre infiltrationskapacitet än jordar med finare textur. Kornstorlek och fördelning har stor inverkan på infiltrationskapaciteten men andra faktorer såsom organiskt innehåll, aggregation och kompaktering påverkar också jordens egenskaper. Exempelvis visade en studie utförd av Akram och Kemper (1979) refererad i Siriwardenes studie (2003) att kompaktering på grund av aktivitet från tunga fordon på en sandig mulljord reducerade infiltrationshastigheten från 150 mm/h till 3 mm/h Hortons ekvation Ett av de första försöken att beskriva infiltrationsförloppet gjorde av Robert E. Horton Han gjorde observationen att infiltrationskapaciteten minskade exponentiellt över tid från att maximalt startvärde, f 0 till ett konstant slutvärde, f c. (Horton refererad i Hiscock och Bense 2014) Det konstanta slutvärdet för infiltrationshastigheten är ekvivalent med den mättade hydrauliska konduktiviteten för jorden vid fältkapacitet. (Hiscock och Bense 2014) 13

32 Horton s ekvation ser ut som följande: ff pp = ff cc + (ff 0 ff cc )ee kkkk där f p = infiltrationskapaciteten vid tiden t k = en konstant som representerar hur snabbt infiltrationskapaciteten f minskar f c = den slutliga infiltrationskapaciteten f 0 = den initiala infiltrationskapaciteten Formelns uppbyggnad indikerar att i det fall regnintensiteten överskrider eller är lika som infiltrationskapaciteten kommer infiltrationen minska exponentiellt. Även om ekvationens uppbyggnad kan te sig relativt simpel uppstår ofta svårigheter när parametrarna f 0 och k ska bestämmas. Arean under infiltrationskurvan för varje tidsintervall representerar det vattendjup som infiltrerat under den tiden. Den ackumulerade infiltrationen kan även beräknas genom att integrera Hortons ekvation. Följande integral fås då: FF tt = ff cc tt + (ff 0 ff cc ) (1 ee kkkk ) kk Genom att studera hur infiltrationshastigheten varierar över tid, kan värden för parametrarna f 0, f c och k uppskattas. I figur 7 visas hur en typisk infiltrationskurva kan se ut. Figur 7. Typisk infiltrationskurva enligt Hortons ekvation samt regnintensitet. (Hiscock och Bense, 2014) Faktorer som påverkar infiltrationen Som tidigare nämnt finns det ett antal olika faktorer som påverkar jordens infiltrationskapacitet. De viktigaste presenteras i texten nedan: Jordens fysikaliska egenskaper Generellt bidrar alla diskontinuiteter vad gäller textur, porstorlek och porstorlekdistribution till variationer i vattnets hastighet genom jordlagren. (Siriwardene, 2003) Jordart och därmed kornstorleken har betydelse för jordens infiltrationskapacitet. För välsorterade jordarter gäller att större kornstorlek innebär högre infiltrationskapacitet. Exempelvis har en sandig jord ofta högre infiltrationskapacitet än en lerig jord. (Hård, Jonasson och Holm 1979) 14

33 Vidare har också jordens porositet betydelse för infiltrationskapaciteten. Den effektiva porositeten utgörs av den del av porerna i jorden eller berget som kan leda vatten. Ju högre effektiv porositet en jord har desto högre lagringskapacitet kommer den också få, vilket i sin tur innebär en högre infiltrationskapacitet vid intensiva och kortvariga regn. Volymen grovporer bestämmer tillsammans med sprickor, rotkanaler, maskhål och dylikt infiltrationskapaciteten för en jord. Grovporsvolymen beror på jordens kornfördelning (- aggregering), humushalt och packningsförhållande. (Hård, Jonasson och Holm 1979) Organiskt innehåll i jorden innebär ofta högre förekomst av mikroorganismer och maskar vilka luckrar upp jorden och därmed ökar infiltrationskapaciteten. Organiskt material förbättrar också markytans genomsläpplighet. Detta gäller dock bara för siltiga och sandiga finkorniga jordarter, men inte då jordens lerhalt stiger (Hård, Jonasson och Holm 1979). Infiltrationskapaciteten för en markyta minskar då halten organiskt material, andel sand, och densitet minskar och ökar då lerhalt, andel suspenderat material, vattenhalt och ph ökar (Hård, Jonasson och Holm 1979). Vattenhalt Fuktigare jord innebär generellt lägre infiltrationskapacitet eftersom jordens porer då redan är fyllda med vatten. Vattenhalten i jorden spelar en viktig roll för infiltrationskapaciteten eftersom den bestämmer hur stor den kvarvarande lagringskapaciteten i jorden är. Om jorden är torr kommer den initiala infiltrationshastigheten vara större än om jorden är fuktig. (Siriwardene, 2003) Under vissa omständigheter kan jordens översta lager reducera infiltrationskapaciteten för torr jord. För fuktig jord finns det istället andra faktorer som reducerar infiltrationen. Ett exempel gäller för lerjordar, där lerkornen absorberar vatten och sväller, vilket innebär att porstorleken minskar och så även infiltrationskapaciteten för jorden. Vidare kan regndropparna slå så kraftigt mot jordytan att de översta kornaggregaten krossas och leder till att de mindre krossbitarna täpper igen de översta porerna, och helt eller delvis hindrar vattnet från att infiltrera ner genom jordytan. (Environment Waitako Regional Council, 2009) Förhållanden på markytan och vegetation Infiltrationskapaciteten vid jordytan kan reduceras till följd av tunna lager av silt- eller lerpartiklar. Dessa partiklar kan skapa ett tätt hölje vilket försvårar eller helt omöjliggör vattnets infiltration genom markytan. (Pitt, 1999) Vid regn med väldigt hög intensitet, skyfall, kan vattendropparna förstöra texturen av jordens yta vilket leder till att jordytan täpps till då aggregaten krossas. Detta minskar kraftigt infiltrationsmöjligheten för jorden och ökar risken för ytavrinning och därmed också erosion. Om regnet är lågintensivt med ihållande kommer infiltrationskapaciteten minska så småningom på grund av att jorden närmar sig sin mättnadskapacitet. (Siriwardene, 2003) Hård, Jonasson och Holm 1979 skriver att vegetationen är viktig ut infiltrations- och avrinningssynpunkt. Plantor och växter minskar regndropparnas effekt på jordytan på samma gång som de fördröjer vattenströmningen över marken. Växter och växtrester kan 15

34 också öka infiltrationskapaciteten och därigenom minska avrinningen. De faktorer som är av betydelse är storlek, täthet, övertäckande förmåga, densitet samt rotsystemets utformning. Vegetationstäcket kan öka infiltrationshastigheten genom att öka jordens porositet och förändra porstorleksfördelningen. Infiltrationskapaciteten kan också öka till följd av regndropparnas interception längs med plantornas stjälkar ner genom markytan. (Siriwardene, 2003) Kompaktering I boken Introduction to Environmental Soil Physics (Hillel, 2004) definieras kompaktering som packning av icke mättad jord genom minskning av luftvolymen i jorden. Enligt Pedersen (refererad i Hård, Jonasson och Holm 1979) definieras jordpackning som den process vid vilken en snabb tillförsel av belastning resulterar i en ökad volymvikt för en jord, som följd av en minskad luftporositet utan att vatteninnehållet ändras. Tidigare ansågs infiltrationskapaciteten korrelera starkast med vissa markfysikaliska egenskaper, och då främst kornstorlek. Hills (refererad i Hård, Jonasson och Holm, 1979) genomförde dock studier som visade på att markbehandling och annan markpåverkan har större betydelse än exempelvis kornstorleksfördelning för att kunna förutsäga infiltrationskapaciteten för en yta. En effekt av kompaktering är att rottillväxten riskerar att upphöra, vilket sker vid en porositet på en bit under 36 % (en volymvikt på 1.7 g/cm 3 ). Vid komprimering av jord på grund av exempelvis tunga maskiner är det främst det grova porsystemet som påverkas. Resultatet av komprimering är att den hydrauliska konduktiviteten minskar på grund av att porvolymen minskar. (Hård, Jonasson och Holm 1979). Tunga maskiner kan komprimera en jord på över en meters djup. Grovkorniga jordar påverkas sällan speciellt mycket men finkorniga jordar är mycket känsliga. Risken för packning ökar även med ökad markfuktighet. Ytskiktet påverkas mest av maskinernas specifika marktryck medan djupare packning beror på totalvikten. Komprimeringen ökar även med antalet överfarter. (Hård, Jonasson och Holm 1979) Vid en studie som utfördes på Lantbrukshögskolan, beskriven av Eriksson (refererad i Hård, Jonasson och Holm 1979) utreddes tung fordonstrafiks effekt på lerjordar. Resultaten visade att den största förändringen erhölls i det grova porsystemet där porerna var större än 0,03 mm. Markanvändning Markanvändningen påverkar såväl kompakteringsgraden som markvegetationen och har således en inverkan på infiltrationskapaciteten. Infiltrationsprocessen varierar också beroende på markanvändningen. Exempelvis har skogsområden en yta täckt av mull vilket hjälper till att hålla kvar mer vatten och därför tillåter för högre andel infiltration. (Siriwardene, 2003) Jordytor med kraftigare lutning tillåter större ytavrinning snabbt vilket minskar infiltrationen, och tvärtom. 16

35 5.6.4 Mätmetoder för infiltrationskapacitet Det finns flera olika metoder för att mäta markens infiltrationskapacitet och tre av dessa beskrivs nedan. Generellt finns det två typer; en typ som mäter den faktiska infiltrationen och en typ som istället mäter mängden vatten som rinner av på markytan Cornell Sprinkler infiltrometer Denna typ av infiltrometer mäter avrinningen från jordytan, och designades för att kombinera fördelarna från en regninfiltrometer och ett simulerat regn. Den tillåter relativt enkla och snabba mätningar av infiltrationskapaciteten vilket är viktigt för att kunna uppskatta variationer över ytor samt över tid. Cornell Sprinkle infiltrometern består av en portabel regninfiltrometer som placeras ovanpå en enkelringsinfiltrometer och tillåter att simulera ett regn med olika intensitet. (Paulsson, 2008) Till skillnad från många andra typer av infiltrometrar tillåter Cornell Sprinkle infiltrometern att jorden blötläggs på ett mer naturligt sätt och eliminerar att jordaggregaten bryts ner till mindre partiklar till följd av ögonblicklig uppdämning. Den reducerar även onaturligt höga bidrag från flöden genom makroporer och ger ett realistisk yt-randvillkor som även inkluderar effekter från jordens yta samt råhet. (Paulsson, 2008) Cornell-sprinkeln använder sig av en enkelring istället för dubbla ringar, och justeringar för 3Dflöden vid ringen botten görs enligt forskning från Reynolds och Elrick. (Paulsson 2008) Guelph infiltrometer Guelphinfiltrometern mäter den hydrauliska konduktiviteten i marken. Mätningarna tar 0,5-2 h beroende på jordart och kräver ungefär 2,5 liter vatten. Mätningarna kan utföras 15 cm 75 cm under markytan. Permeametern består av en permeameter, en tripod, en brunnsborrare och så vidare. Den har ett konstant tryckhuvud under mätningarna. När hålet är borrat placeras Guelphinfiltrometer i position och vattnet från permeametern flödar sakta ner i borrhålet och infiltrerar ner i jorden. Efter en tid kommer jorden bli mättad varpå infiltrationshastigheten blir konstant. Mätdata tillsammans med hålets diameter samt vattennivån i borrhålet används för att bestämma den mättade hydrauliska konduktiviteten i jorden. (Eijelkamp Soil and Water, 2011), Ringinfiltrometer I en ringinfiltrometer mäts hur mycket vatten som infiltrerar markytan genom att notera hur fort vattenytan i ringen sjunker. En av de vanligaste metoderna för att mäta infiltrationskapaciteten för olika typer av ytor är dubbelringsinfiltrometern, vars användningsprocedur beskrivits av bland andra ASTM och Bouwer (Gregory et al, 2005). Dessa källor innehåller standardiserade riktlinjer för utförande av infiltrationsförsök med dubbelringsinfiltrometrar, men i dag används en mängd olika försöksmetoder. En enkelringsinfiltrometer består av en metallring som delvis trycks ner i jorden. Ringen fylls sedan med vatten och hastigheten med vilken vattnet rinner ner i jorden mäts. Denna hastighet blir konstant när jorden är mättad. För enkelringsinfiltrometrar är metallringen en källa till systematiska mätfel. En cylinder med en diameter på 15 cm antas ge ett fel på ca 30 %, medan en ring med 50-cm diameter ger ett fel på 20 % jämfört med vad som skulle 17

36 uppmätts med en cylinder med oändlig diameter. För enkelringsinfiltrometrar föreslås en diameter på 100cm, men så stora infiltrometrar blir svåra att använda i fält då väldigt stora vattenvolymer måste användas vid försöken. (Gregory et al, 2005) Enkelringsinfiltrometrar överskattar den vertikala infiltrationshastigheten. Detta beror på att vattenflödet under cylindern inte är helt vertikalt utan sker även lateralt. Jordens kapillärkrafter drar vattnet ut åt sidorna, vilket i sin tur leder till att mer vatten kan infiltrera ner genom cylindern, och den uppmätta infiltrationskapaciteten får därför ett för högt värde. Ett antal metoder har framtagits för att komma tillrätta med detta mätfel. (Gregory et al, 2005) För att minska den horisontella spridningen av vattnet kan en så kallad dubbelringsinfiltrometer användas vilken ses i figur 8. Genom att två ringar används minimeras den laterala infiltrationen från den inre ringen. Dubbelringsinfiltrometrar tillverkas ofta av stålrör och har en diameter av ytterringen på ca cm. (Gregory et al, 2005) Figur 8. Dubbelringsinfiltrometer (Hiscock och Bense 2014) En dubbelringinfiltrometer kan användas (bör också användas) för att förhindra att de horisontella kapilärkrafterna bidrar till att suga vattnet ut mot sidorna på infiltrometerna. Infiltrationskapaciteten skulle då bli mkt högtre än det verkliga värdet. Genom att också fylla på den yttre ringen skapas mättade förhållanden och vattnet i den inre ringen kommer då till största del röra sig vertikalt nedåt, vilket också är den rörelse vi vill mäta. (Paulsson, 2008) En ytterligare källa till fel uppstår när cylindrarna trycks ner i marken eftersom det kan skapas porförbindelser mellan väggen på cylindern och jorden. Detta kan leda till att vatten läcker ner längs med kanten på cylindern och även i detta fall kommer infiltrationskapaciteten att överskattas. Även detta fel minskas med en dubbelringsinfiltrometer. (Gregory et al, 2005) Det finns två metoder för att mäta vattenflödet i en dubbelringsinfiltrometer. Antingen hålls ett konstantvattentryck och mängden vatten som måste tillföras mäts. Det andra sättet är att fylla upp den inre ringen och låta vattennivån sjunka. Här mäts istället hur snabbt vattnet 18

37 sjunker undan. Vattennivån i den yttre ringen hålls konstant för att undvika läckage ut mot sidorna. Numerisk modellering har visat att fallande vattennivå och konstanta vattennivåer ger mycket lika resultat, men testet med fallande vattentryck underskattar infiltrationskapaciteten för grovkorniga jordar (Gregory et al, 2005) 5.7 Tidigare forskning på området Det har genomförts ett stort antal tidigare studier inom området infiltration men förutsättningarna för försöken skiljer sig mellan dem och så också resultaten. Studier har utförts på såväl olika jordarter som olika markanvändning. I många fall har studierna ämnat undersöka infiltrationskapaciteten i hela det översta jordlagret vilket lett till att det översta vegetationstäcket i flera fall tagits bort. Eftersom examensarbetet syftar till att undersöka infiltrationskapaciteten vid skyfall har resultaten från de försök där markytan har lämnats orörds har ansetts användbara som bakgrund och redovisas därför i avsnittet nedan. Då förutsättningarna för studierna skiljer sig åt både vad gäller procedur samt typ och storlek på infiltrometer har resultaten hållits åtskilda. Robert Pitt (1999) utförde en studie där han bland annat undersökte vilken effekt urbaniseringen har på jordens struktur och hur jordens kompakteringsgrad påverkar infiltrationskapaciteten. Tidigare forskning hade visat att områden som utsatts för mycket aktivitet, exempelvis välbesökta gräsytor och fotbollsplaner och områden som utsatts för igenslamning, exempelvis vägdiken) hade mycket låg infiltrationskapacitet. Tidigare forskning hade också visat att jordens textur och fukthalt påverkar dess infiltrationskapacitet. I Pitts studie undersöktes sandiga och leriga jordar som både var torra och mättade samt kompakterade och icke kompakterade. Flera mindre dubbelringsinfiltrometrar användes då dessa ansågs ge bättre spridning av resultaten jämfört med att endast använda en stor infiltrometer. Infiltrometrarna hade en innerringsdiameter på 64mm samt en ytterringsdiameter på 110 mm. Experimenten pågick under 2 timmar. 19

38 Tabell 3 och 4 visar parametervärden för hortons ekvation som anpassats till mätserierna för de olika jordtyperna i Pitts studie. Tabell 3. Sandiga jordar, uppskattning av parametrar till Hortons ekvation (Pitt 1999) jordtyp f0 [mm/h] fc [mm/h] k [1/min] medel spann medel spann medel spann Icke kompakterade sandiga jordar Kompakterade sandiga jordar Tabell 4. Leriga jordar, uppskattning av parametrar till Hortons ekvation (Pitt 1999) jordtyp f0 [mm/h] fc [mm/h] k [1/min] medel spann medel spann medel spann torra och ickekompakterade leriga jordar alla andra leriga jordar (kompakterade och torra, samt alla mättade) Hortons ekvation anpassades till alla infiltrationsförsök men eftersom samtliga parametrar hade ett stort spann på dess värden är det osäkert hur representativa de beräknade parametrarna i ekvationen faktiskt är. Resultaten från Pitts studie visade att kompakteringsgraden har störst effekt på jordens infiltrationskapacitet. Vidare dras slutsatsen att infiltrationsvärdena antagligen har överskattats, men är ändå jämförbara med tidigare studier. 3D-graferna i figur 9 är hämtade från Pitts (1999) studie och visar hur parametrarna kompaktering samt vattenhalt påverkar infiltrationshastigheten för sandiga respektive leriga jordar. Båda bilderna visar genomsnittliga värden för de två jordtyperna. Bilderna visar hur infiltrationskapacitetens slutvärden varierar beroende kompakteringsgrad samt vattenhalt för leriga och sandiga jordar. För leriga jordar har kompakteringsgraden stor effekt på torra jordar, men har inte nämnvärd betydelse för mättade jordar där infiltrationshastigheten är låg oavsett kompakteringsgrad. För sandiga jordar påverkar inte vattenhalten den slutgiltiga infiltrationskapaciteten, medan kompakteringsgraden har stor effekt för såväl torra som mättade jordar. 20

39 Figur 9. Bilden t.v. visar en tredimensionell plot för sandiga jordar och bilder t.h. visar en tredimensionell plot för leriga jordar. (Pitt, 1999) En studie utförd av Lindblad (1981) har sammanställt och utvärderat ett stort antal infiltrationsmätningar som utförts vid Geologiska institutionen CTH/GU vid Chalmers under åren I styckena nedan ges dels resultaten från den sammanställning som gjorts, samt mer detaljerade resultat från studier i sammanställningen som ansetts extra relevanta. Sammanställningen visade att infiltrationskapaciteten för de olika grupperna varierade mellan 3,96 mm/h och 63,9 mm/h. Värt att notera är att båda dessa värden återfanns hos sandiga jordar. Det lägre värdet uppmättes för sand vid anlagd markyta och det högre värdet för sand vid ursprunglig markyta. Tabellen nedan anger medelvärden för de olika jordarterna uppdelat på ursprunglig och anlagdmarkyta. Värdena avser mätningar ovanpå jordens humusskikt och samtliga värden är slutvärden (f c ). Tabell 5. Infiltrationskapacitet för olika jordarter sammanställda av Lindblad (1981) Infiltrationskapacitet [mm/h] Ursprunglig mark på humus Anlagd mark på humus Jordart Morän 46.8 n/a Sand Silt n/a 26.6 Lera Matjord n/a 24.8 En av studierna som Lindblad (1981) sammanställt utfördes i Angered nordost om Göteborg, på åker- och ängsmark med syfte att bestämma infiltrationskapacitet i främst lerjordar. Jorden bestod av friktionsmaterial, mo eller sand. 20 mätningar genomfördes på 10 olika platser. Den första mätningen i en punkt genomfördes på markytan och den andra mättes 30 cm ner i marken. Under försöken användes en dubbelringsinfiltrometer med en ytterringsdiameter på 20 cm och en innerringsdiameter på 12,5 cm. 21

40 Resultaten visade att för lerjordar varierade f 0 mellan mm/h och f c hade ett medelvärde på 50 mm/h. För friktionsmaterial vid bergklack varierade f 0 mellan mm/h och f c hade ett medelvärde på 200 mm/h. (Lindblad 1981) Lind (refererad i Lindblad 1981) utförde en studie i centrala Halland. Geologin i området bestod av ett övre lager av 3 cm mo med inslag av grus och rötter som följdes av 2 dm grovmo bestående av sand, vilken i sin tur vilade på 2.5 dm sand med lerklumpar och därunder ren sand. Mätningarna genomfördes med en dubbelringsinfiltrometer med en ytterringsdiameter på 30 cm och en innerringsdiameter på 19,5 cm. Infiltrationskapaciteten sjönk från 660 mm/h till 420 mm/h på 2h. Wedel (refererad i Lindblad 1981) utförde flera infiltrationsmätningar i stadsdelen Bergsjön i nordvästra Göteborg. Området är bebyggt med flerfamiljshus och tillhörande serviceanläggningar. Området har stora nivåskillnader och är i hög grad urbant påverkat. De ytliga jordlagren består av matjord med en mekanisk sammansättning motsvarande lerig mo. Mätningarna genomfördes med hjälp av en dubbelringsinfiltrometer med en innerringsdiameter på 12,5 cm. Resultaten visade stor variation för mätningarna och ingen korrelation kunde påvisas mellan infiltrationskapacitet och humus- och vattenhalt i jorden. Möjligen kunde ses en tendens till minskande infiltration vid ökande vattenhalt i jorden. Tabell 6 visar infiltrationskapaciteten för mätningarna samt humus- och vattenhalt. Tabell 6. Infiltrationskapacitet samt humus- och vattenhalt för mätningarna i Göteborg (Wedel refererad i Lindblad, 1981) Medel Max Min Infiltrationskapacitet [mm/h] 146, Humushalt [%] 3,4-11,31 Vattenhalt [%] 2-36 Kaufman och Röine (refererade i Lindblad 1981) utförde mätningar i ett friluftsområde nordost om Göteborg. Mätningarna gjorde i två olika områden där geologin i det första området bestod av ett cm mäktigt humusskikt underlagrat av sorterat material bestående av finsand eller grovsand och geologin i det andra området bestod av ett ytskikt av nedbrytningsrester av hö följt av cm humus övergående i ett blandskikt av humus och morän. Mätningarna genomfördes med en enkelringsinfiltrometer med en diameter på 19.5 cm. Tabellen 7 visar resultaten för studien. Tabell 7. Genomsnittlig infiltrationskapacitet för mätningarna på markytan respektive 30 cm djup. (Kaufman och Röine refererade i Lindblad, 1981) [mm/h] Resultat för markytan f c max 61,2 min 22,68 Resultat på 30 cm djup f c max 136,8 min 1,512 22

41 En studie utförd i Kew catchment (Siriwardene, 2003) i Australien har också undersökt infiltrationskapaciteten i jord. Geologin bestod av osorterat grus och grusig sand med lite eller inget finmaterial. Tre försök utfördes på tre olika platser och mätningarna genomfördes med en dubbelringsinfiltrometer. Ytterringens diameter var 30 mm och innerringens diameter var 60 mm. Mätningarna utfördes under sex timmar. Resultaten visade att den initiala infiltrationskapaciteten låg på 260 mm/h respektive 440 mm/h för de två redovisade mätplatserna och sjönk till 145 mm/h respektive 170 mm/h efter drygt fem timmar 6. Infiltrationsmätningar, material och metod Infiltrationsmätningarna syftar som tidigare nämnts i rapporten, till att undersöka infiltrationskapaciteten för ytor med olika markanvändning, samt undersöka det går att urskilja ett samband mellan infiltrationskapacitet och markanvändning för de ytor vi har inom Stockholmsområdet. Försöken har därför koncentrerats till två områden: ett grönområde på Norra Djurgården samt Rålambshovsparken. Dessa två områden anses tillsammans kunna ge underlag för olika typer av grönytor i urbana miljöer. 6.1 Områdesbeskrivning Studien har genomförts i Stockholmsområdet där två olika undersökningsplatser valts ut. Platserna har valts då flera olika typer av grönytor såsom betesmark, skogsmark och parkmark har kunnat identifieras i de två områdena. Mätningarna har dock begränsats till att omfatta betesmark/grönområdes mark på Norra Djurgården samt parkmark i innerstadsmiljö i Rålambshovsparken. Stockholmsområdet är en storstadsregion belägen i östra Sverige med Mälaren i väster och Östersjön i öster. Berggrunden består till största del av granit och gnejs och jordlagren består av varierande lera och sand samt en del isälvsavlagringar. Stockholms innerstads jordlager består idag till största del av fyllningsjord. Infiltrationsmätningarna har genomförts dels i ett område på Norra Djurgården och dels i en park belägen på Kungsholmen i centrala Stockholm. 6.2 Undersökningsplatser och mätpunkter Samtliga mätningar utfördes mellan den 29/ till och med den 2/ Totalt utfördes fem mätningar varav två utfördes vid norra Djurgården strax norr om Stockholm, och tre utfördes i Rålambshovsparken på Kungsholmen. De flesta av mätningarna utfördes med tre stycken dubbelringsinfiltrometrar placerade i en triangel med ca 2 meters mellanrum. En av mätningarna utfördes med enkelringsinfiltrometrar då problem med mätinstrumenten uppstod och två av mätningarna utfördes med endast två dubbelringsinfiltrometrar då vattentillgången var begränsad Norra Djurgården Det första mätområdet är beläget strax norr om Stockholms innerstad mellan Stockholms universitet, norra djurgårdsstaden, Kungliga tekniska högskolan och Norrmalm. Miljön kan beskrivas som lantlig med en bondgård, betesmark och stora öppna gräsytor. Området ligger också i direkt anslutning till Stockholms universitet. Mätningarna genomförde på två platser med ca 100 meters mellanrum. Marken beskrivs som en öppen gräsyta som delvis tjänar som betesmark och delvis som parkmark där ett flertal olika lopp hålls varje år. 23

42 Geologin i området består till stor del av urberg, morän samt lera. I två områden finns det kärrtorv och vissa områden är täckta med fyllningsmaterial. Topografin sträcker sig från 0 m.ö.h. till 45 m.ö.h. för det valda avrinningsområdet. Markanvändningen är varierad med allt från bostäder, parkytor, betesmarker, åkrar skog och kärr till en torvmosse med torvuttag. Då området är kantat av bebyggelse antas all mark vara påverkad av människan i någon mån. Mätningarna här utfördes den 29/ respektive den 31/ De första tre mätningarna pågick under knappt 2 timmar och likaså de sista två. De sista två mätningarna utfördes med enkelringsinfiltrometrar då vattentillgången var begränsad. I figur 10 syns de två mätplatserna markerade i rött. Stockholms Universitets byggnader syns till vänster i bild Figur 10. Foto över Norra Djurgården utifrån GSD-Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet. Mätplatserna markerade med rött Rålambshovsparken Det andra mätområdet innefattar en stor park belägen på Kungsholmen i centrala Stockholm. Parken omfattar en stor yta och utgör plats för ett flertal olika utomhusaktiviteter såsom olika sporter, grillmöjligheter, bad och andra rekreationssysslor. Rålambshovsparken är lågt belägen och får därför stor tillrinning av vatten från omliggande områden vid kraftiga regn. Det är därför intressant att undersöka hur väl en park i stadsmiljö kan tänkas fungera som infiltrationsmagasin, och vilken infiltrationskapacitet 24

43 jorden där har. Marken i Rålambshovsparken består av ett tunt lager fyllningsjord följt av 7m lera varvat med en del friktionsmaterial. Grundvattennivån ligger drygt en meter under markytan. På grund av den stora aktiviteten i området antas marken vara kompakterad. Här utfördes mätningar på tre olika platser enligt figur 11. Den första mätpunkten valdes godtyckligt och placerades i ett område centralt beläget i parken (punkt 3). Den andra mätpunkten valdes lite närmare Mälaren, och sattes i ett område som är känt för att översvämmas vid kraftiga regn då den ligger i en lågpunkt (punkt 4.1). Den tredje och sista mätpunkten placerades en bit högre upp i parken (punkt 4.2) där marken definierades av kraftigare växtlighet i form av gräs och där jorden inte såg lika påverkad och kompakterad ut Figur 11. Foto över Rålambshovsparken utifrån GSD-Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet. Mätplatserna markerade med rött. 6.3 Val av metod Det finns ett flertal olika metoder för att mäta infiltrationskapacitet och beroende på förutsättningar och syfte är de olika lämpliga. Till den här studien eftersöktes en metod där det översta jord- och vegetationslagret kunde lämnas intakt, en metod som på ett bra sätt kunde illustrera skyfall samt en metod som använde sig av rimliga mängder vatten. 25

44 Metoden skulle också möjliggöra simulering av skyfall samt vara relativt enkel att använda sig av. Med dessa kriterier som grund föll därför valet på en dubbelringsinfiltrometer. 6.4 Dubbelringsinfiltrometer Dubbelringsinfiltrometrar är kostsamma att köpa in tillverkades de istället på egen hand av ventilationsrör, så kallade spirorör, som köptes in och sågades till lämplig längd med hjälp av en vinkelslip. De färdiga dubbelringsinfiltrometrarna hade en ytterringsdiameter på 40 cm och en innerringsdiameter på 20 cm. För att få en bra spridning av resultaten användes 2-3 infiltrometrar vid varje mätning Metod dubbelringsinfiltrometer De tre infiltrometrarna placerades i en triangel med ytterringarna ungefär 2 meter ifrån varandra på ett så jämnt underlag som möjligt. Eventuella kvistar och andra hinder plockades bort från markytan. De tre ytterringarna bankades ner ca 2 cm i marken med hjälp av en slägga. Innerringarna placerades i mitten av ytterringarna och bankades ner lika långt eller så långt som underlaget tillät. Ett måttband fästes på insidan av innerringen för att kunna avläsa vattennivån under mätningarna. För att underlätta mätningarna sattes en mätserie i taget igång. Detta gjordes genom att fylla den yttre ringen med vatten och sedan inner ringen med ett vattendjup på cm. För att minimera störningar av markytan från vattentillförseln användes en vattenkanna med stril vilken spred ut vattenstrålarna. En lägre vattennivå är att föredra vad gäller tryckpelare från vattnet, men ger nackdelar i form av snabbare påfyllning samt större störning från markytans vegetation vid avläsning. Mätningarna påbörjades så snart vattnet fyllts på till önskad nivå. Vid mätningarnas början noterades tid och vattennivån i den inre ringen. Vattennivån lästes sedan av med så jämna tidsintervall som möjligt. Vid behov fylldes vatten på i innerringen och ny vattennivå efter påfyllning noterads. Vid mätningarnas början lästen vattennivån av med 1-2 min intervall och mot slutet av mätningarna glesades avläsningarna ut till var 15e minut. Mätningarna avslutades när infiltrationshastigheten nått ett konstant värde eller när det ej var möjligt att fylla på mer vatten på grund av bristande vattentillgång Beräkningar Med hjälp av tidsnoteringar och vattennivåer räknades infiltrationshastigheten vid varje tidpunkt ut. Horton-kurvor anpassades godtyckligt i excel där de plottades mot de uppmätta mätserierna. Start och slutvärde hämtades från mätserierna och k valdes för att bäst matcha de uppmätta mätserierna Alla mätserier användes inte som underlag för att anpassa Hortonkurvor då variationerna i infiltrationshastigheterna var alltför stora. 6.5 Jordprovsanalys För att mäta jordens kornstorleksfördelning, vattenhalt samt halt organiskt material gjordes tre jordprovsanalyser. Jordprover togs vid mätomgång 2 och 4 och jordanalyser utfördes på samtliga jordprover. 26

45 Mätning av jordprovernas vattenhalt gjorde genom att torka jordproverna i ugnen på 105 grader under ett dygn. Skillnaden i massa före och efter torkning gav jordprovernas vattenhalt. Humushalt eller halt organiskt material mättes genom att bränna de torra jordproverna på 800 grader under 60 min. På samma sätt som tidigare räknades halten organiskt material ut genom att subtrahera den brända vikten från vikten innan bränningen. Kornstorleksfördelningen för jordproverna bestämdes genom siktningsanalys. Mekanisk siktning användes för att sortera korn på ner till 2 mm. För de mindre kornen utfördes en hydrometeranalys vilket är en typ av sedimentationsanalys som mäter densiteten på en vätska. Tre olika hydrometrar användas med tillhörande nomogram i vilka lösningens densitet registrerades efter givna tidsintervall. Sista mätningen gjorde efter ett dygn. Utifrån dessa resultat ritades kornstorleksfördelningskurvor upp för samtliga jordprover. (Kvartärgeologiska institutionen, Stockholms Universitet, okänt årtal) 6.6 Resultat fältförsök Resultaten påvisade en varierande infiltrationskapacitet som inte alltid motsvarade de enligt Horton beskrivna infiltrationsförloppen. Generellt kan sägas att resultaten för infiltrationskapaciteten i de flesta fall var högre än vad tidigare undersökningar indikerat, men att variationerna var mycket stora mellan mätserierna. Den initiala infiltrationshastigheten, f 0, varierade mellan 4500 mm/h och 300 mm/h och slutvärdet, f c varierade mellan 10 mm/h och 1020 mm/h. Mätning 2c från Rålambshovsparken den 2/ är inte inräknad i dessa värden då resultaten angås vara för osäkra för att användas. Viktigt att notera är att benämningen f 0 här syftar till den initialt uppmätta infiltrationshastigheten och inte till det värde på f 0 som skulle uppskattats om en hortonkurva anpassats till en mätserie. Tabell 8 visar de olika mätningar som gjorts, vilken beteckning de fått och för vilkamätningar jordprov tagits samt beteckningarna för dessa. I resultaten kommer ordet mätning referera till en specifik mätserie, exempelvis 1.1.a. Där det framgår tydligt av sammanhanget vilken mätserie som texten syftar på kommer endast den sista bokstaven användas. 27

46 Tabell 8. Benämning av de olika infiltrationsmätningar som utförts samt de jordprov som tagits. Mätområde Datum Mätomgång Nummer mätning Norra Djurgården 29/ a 1.1.b 1.1.c 31/ a 2.1.b Rålambshovsparken 10/ a 3.1.b 2/ a 4.1.b 4.1.c a 4.2.b 4.2.c Jordprov 2.1.j 4.1.j 4.2.j Mätomgång 1, Norra Djurgården 29/ Grafen i figur 11 visar de tre infiltrationskurvorna som uppmättes för mätningarna 1.1.a, 1.1.b och 1.1.c. Mätning 1.1.a hade en initial infiltrationshastighet på 120 mm/h som snabbt sjönk till ett slutvärde på 10 mm/h. De andra två mätserierna hade högre infiltrationshastigheter, som dessutom fluktuerade under hela mätförloppet. För mätpunkt 1.1.b stabiliserade sig infiltrationshastigheten runt ca 260 mm/h medan den fortfarande sjönk för mätpunkt 1.1.c då mätningarna avbröts efter 2h och något stabilt slutvärde uppnåddes därför aldrig. Mätomgång 1, 29/ infiltrationshastighet [mm/h] tid [min] 1.1.a 1.1.b 1.1.c Figur 12. Infiltrationskapacitet för mätning 1.1.a, 1.1.b och 1.1.c gjorda på Norra Djurgården 29/ Tabell 8 visar resultaten från mätningarna och där framgår att samtliga initialhastigheter för infiltrationskapaciteten var högre än slutvärdena. 28

47 Tabell 9. Initialvärden och slutvärden för infiltrationskapaciteten vid mätomgång 1 samt medelvärden. Mätserie f 0 [mm/h] f c [mm/h] 1.1.a b c Medelvärde Mätomgång 2, Norra Djurgården 31/ Vid det här mättillfället genomfördes två mätserier med ca 2 meters mellanrum. Mätserierna genomfördes drygt 100 meter från mätomgång 1. Figur 12 visar hur infiltrationskapaciteten varierade under mättiden för mätserierna 2.1.a och 2.1.b. Resultaten för båda mätserierna visar på en minskning i infiltrationshastighet över tid men framförallt startvärdena skiljer sig mycket åt. Mätomgång 2, 31/ infiltrationshastighet [mm/h] tid [min] 1 2 Figur 13. Infiltrationskapacitet för mätning 2.1.a (1 i grafen) och 2.1.b (2 i grafen) gjorda på Norra Djurgården 31/ Tabell 10 visar den initiala samt slutliga infiltrationshastigheten för de två mätningarna samt medelvärde. Eftersom dessa är gjorda med en enkelringsinfiltrometer har värdena också korrigerats med en korrektionsfaktor på 0.72 (Paulsson 2008). 29

48 Tabell 10. Initialvärden och slutvärden för infiltrationskapaciteten vid mätomgång 2 samt medelvärden. Mätserie 2 f 0 [mm/h] f c [mm/h] 2.1.a b Medelvärde Mätserie 2 m. korrektionsfaktor 2.1.a b Medelvärde Mätomgång 3, Rålambshovsparken 10/ Här utfördes två mätningar i Rålamshovsparken. Infiltrometrarna placerades på en gräsmatta med relativt mycket vegetation i form av gräs med ca 2 meters mellanrum. Mätningarna utförde under drygt 20 min, då vattnet tog slut efter denna tidsperiod. Markanvändningen bestämdes till parkmark i innerstadsmiljö då Rålambshovsparken är en park I Stockholm, och mätningarna utfördes mitt i denna. Mätningarna utfördes under en dag med halvklart väder och uppehåll, och markytan var till synes torr. Grafen i figur 14 visar infiltrationsförloppen för mätning 3.1.a och 3.1.b Mätomgång 3, 10/ infiltrationshastighet [mm/h] tid [min] 3.1.a 3.1.b Figur 14. Infiltrationskapacitet för mätning 3.1.a och 3.1.b gjorda i Rålambshovsparken 10/ Tabell 11 visar den initiala infiltrationskapaciteten för de två mätningarna samt slut- och medelkapacitet. 30

49 Tabell 11.. Initialvärden och slutvärden för infiltrationskapaciteten vid mätomgång 3 samt medelvärden. Mätserie f 0 [mm/h] f c [mm/h] 3.1.a b medelvärde Mätomgång 4, Rålambshovsparken 2/ De tre första mätningarna presenteras i figur 15. Samtliga mätningar visade på en infiltrationskapacitet som sjönk över tid men magnituden av infiltrationskapaciteten varierade mellan mätningarna Mätomgång 4.1, 2/ Infiltrationshastighet [mm/h] tid [min] 4.1.a 4.1.b 4.1.c Figur 15. Infiltrationskapacitet för mätning 4.1.a, 4.1.b och 4.1.c gjorda i Rålambshovsparken 2/ Tabell 12 visar den initiala infiltrationshastigheten för de tre mätningarna, samt slut- och medelvärden. Tabell 12. Initialvärden och slutvärden för infiltrationskapaciteten vid mätomgång 4.1 samt medelvärden. Mätomgång 4.1 f 0 [mm/h] f c [mm/h] 4.1.a b c medelvärde

50 Två av de andra mätningarna presenteras i grafen i figur Mätomgång 4.2, 2/ Infiltrationshastighet [mm/h] a 4.2.b tid [min] Figur 16. Infiltrationskapacitet för mätningar utförda i Rålambshovsparken den 2/6-2017, mätomgång 4.2. Tabell 13. Initialvärden, slutvärden och medelvärden för två av mätningarna utförda i Rålambshovsparken den 2/6-2017, mätomgång 4.2 Mätomgång 4.2 f 0 [mm/h] f c [mm/h] 4.2.a b medelvärde Mätserie 4.2.c visas i en egen graf nedan då resultaten avvek från de andra mätningarna både vad gäller infiltrationskurva samt mätvärden för infiltrationshastigheten Mätomgång 4.2, 2/ Infiltrationshastighet [mm/h[i tid [min] 4.2.c Figur 17. Infiltrationskapacitet för mätning 4.2.c i Rålambshovsparken 2/6-2017, mätomgång

51 Tabell 14. Initialhastighet samt sluthastighet för mätning 2c, utförd i Rålambshovsparken den 2/6-2017, mätomgång 4.2. Mätomgång 4.2 f 0 [mm/h] f c [mm/h] 4.2.c Resultat jordprovsanalys Jordprover togs vid ett av mättillfällena vid norra Djurgården och vid ett av mättillfällena i Rålambshovsparken. Tabellen 15 visar de resultat från kornstorleksfördelningen som noterats för de tre jordproverna. För korn mindre än 2 mm har en hydrometeranalys utförts för att tillhandahålla kompletta kornstorlekskurvor. Från kornstorlekskurvorna gjorde bedömningen att jordproverna bestod av sand med visst inslag av silt och grus. Andelen grovsand, mellansand och finsand var svårbestämd eftersom kornstorlekar mellan 0,074 och 2 mm inte analyserades närmare. Tabell 15. Siktningsanalys och jordartsbestämning för jordproverna Siktningsanalys kornstorlek vikt-% jordart grus sand silt lera >2mm 2-0,06 mm 0,06-0,002 mm <0,002 mm 2.1.j lerig siltig sand 4.1.j grusig siltig sand 4.2.j sand Vid jordprovsanalyserna mättes också vattenhalt och halt organiskt material. Resultatet redovisas i tabell 16. Tabell 16. Vattenhalt och halt av organiskt material för jordproverna. vattenhalt [vikt-%] organiskt material [vikt- %] 2.1.j 16 11,4 4.1.j 7,3 5,3 4.2.j 15,5 10,8 6.7 Anpassning av parametervärden för Hortons ekvation För att tydligare kunna jämföra de olika infiltraionskurvorna, samt kunna använda resultaten till modellering i MIKE 21, anpassades parametervärden för hortonkurvor till de infiltrationskurvorna som uppmättes i Rålambshovsparken. Här har parametervärden endast tagits fram till de kurvor där mätningarna utförts under minst 90 min, och där mätvärdena 33

52 ansetts tillförlitliga. En genomsnittlig infiltrationskurva togs också fram för mätresultaten från Rålambshovsparken. Figur 18 visar fem av mätningarna från mätomgång 4.1 och 4.2 samt den hortonkurva som anpassats som den genomsnittliga infiltrationskapaciteten för Rålambshovsparken. Parametervärdena för hortonkurvan är satta till f 0 =1080 mm/h, f c =184 mm/h och k= Anpassning av hortonkurva infiltrationshastighet [mm/h] tid [min] 4.1.a 4.1.b 4.1.c 4.2.a 4.2.b horton Figur 18. Fem av mätningarna från mätomgång 4.1 och 4.2 samt den anpassade hortonkurvan till den genomsnittliga infiltrationskapaciteten. 7. Modellering i MIKE 21 För att relatera de utförda infiltrationsmätningarna till de skyfallskarteringar som ofta görs för urbana miljöer gjorde ett antal skyfallssimuleringar i MIKE 21. Genom att låta ett regn med en viss återkomsttid falla över ett valt område går det att studera hur mycket vatten som infiltreras respektive kan väntas avrinna från olika ytor och därmed också var det finns risk för översvämningar. Eftersom WSP i tidigare skyfallskarteringar över Stockholms stad använt sig av ett 100-årsregn med 30 minuters varaktighet användas samma regnevent också i modelleringen för denna studie. En klimatfaktor på 1,25 användes också för att illustrera klimatet år Jämförelser har gjorts mellan olika infiltrationsförlopp, vattenhalt samt jordart. Avsnitt 7.1 till och med 7.2 kommer att avgränsas till att beskriva MIKE 21 som helhet, samt att endast beskriva de parametrar som är relevanta för modellen som sätts upp i denna studie mer ingående. Då mjukvaran är på engelska kommer såväl de engelska begreppen som används i MIKE 21, samt den svenska översättningen för termerna tydligt framgå i avsnitt Om inget annat anges är all fakta hämtad från hjälp-guiden i MIKE Beskrivning av mjukvara MIKE 21 är ett modelleringsprogram som modellerar 2D free-surface flows. MIKE 21 kan användas för simuleringar av hydraulik och fenomen relaterade till detta i sjöar, vikar, 34

53 kustområden och hav där stratifikation kan försummas. MIKE 21 används även för att simulera översvämningar på land till följd av exempelvis skyfall. 7.2 Processer och parametrar I sektionen nedan beskrivs processer och parametrar i mjukvaran som är av betydelse för modellen och för resultatet Nederbörd Hur mycket regn som faller under ett visst event bestäms av dess varaktighet och dess intensitet. I MIKE 21 kan den anges som konstant över hela simuleringsförloppet, som varierande över tid samt varierande i både tid och rum Markråhet Så fort vatten tillrinner eller faller på markytan snabbare än det kan infiltrera kommer vatten ansamlas på markytan. Där markytan inte är exakt horisontell uppkommer markavrinning och vatten ansamlas i lågpunkter. Hur lätt vattnet rinner av en yta bestäms av ytans markråhet vilken påverkas av markanvändningen. Exempelvis har hårdgjorda ytor som gator högre värden för Mannings tal än exempelvis skogsmark vilket innebär att vattnet lättare avrinner från dessa. Den totala volym vatten en markyta kan hålla kvar är beroende av såväl geometriska oregelbundenheter på ytan som markytans lutning. Först när markytans lagringsförmåga är fylld kommer dessa pölar översvämmas och markavrinning ske. Markavrinning definieras som den andel av vattnet som varken infiltrerar ner i jorden eller uppehålls på markytan. Ytavrinningen börjar oftast som ett stilla flöde, men accelererar efter hand och kan bilda djupa fåror och kanaler i markytan Infiltration Infiltrationsförloppet för ett avrinningsområde kan beskrivas på två olika sätt i MIKE 21. Den ena, net infiltration, tar endast hänsyn till infiltrationen genom markytan, samt läckaget till underliggande jordlager. Den andra, constant infiltration with capacity, tar även hänsyn till jordens lagringskapacitet, vilken beror på jordens fuktinnehåll samt dess effektiva porositet. Net infiltration kan specificeras som antingen varierande i rummet men konstant över tid, eller varierande både i rum och i tid. Om den varierar över tid kan den anges som en horton-kurva, vilket också gjorts i några av simuleringarna. Constant infiltration with capacity innebär att olika parametrar för infiltrationsytorna angetts. De parametrar som måste bestämmas är följande: - Infiltrationshastighet - Porositet i infiltrationszonen - Mäktighet av den omättade zonen. - Läckagehastigheten ner till underliggande jordlager - Vattenhalt i procent av kapaciteten i jorden initialt. Definieras antingen som procent av kapacitet (intervallet 0-100%) eller som vattenhalt (intervall 0-porositeten[()]) Det är möjligt för modellen att räkna ut net infiltration hastigheten genom en förenklad modell som beskriver infiltrationen från den fria markytan ner till den omättade zonen och 35

54 perkolationen från den omättade zonen ner till den mättade zonen. På det här sättet kan modellen ta hänsyn till en minskande lagringskapacitet till följd av tidigare regnfall. Modellen antar att den omättade zonen modelleras som en infiltrationszon med konstant porositet över hela zonens mäktighet. Den antar vidare att den infiltrerade volymen från markytan till den omättade zonen baseras på en konstant flödeshastighet (V infiltration =Q i * t) där Q i är infiltrationshastigheten. Den vattenvolym som läcker ner till den underliggande mättade zonen beskrivs som V infiltration =Q l * t där Q l är läckagehastigheten. Vid net infiltration sätts Q i =Q l och den omättade zonen antas ha oändlig lagringskapacitet. Viktigt att notera är att den infiltrerade volymen inte kan överskrida den mängd vatten som finns tillgänglig på markytan och vidare kan den inte överstiga skillnaden mellan vattenkapaciteten i den omättade zonen och den mängd vatten som faktiskt finns lagrad där. Det är möjligt att infiltrationsvolymen helt dränerar markytan på vatten och därmed skapar torra celler som tas ur beräkningarna. Om infiltrationen beskrivs som konstant infiltration med lagringskapacitet är det också möjligt att den omättade zonen blir helt mättad och då blir infiltrationshastigheten densamma som läckagehastigheten. Figur 19 beskriver de två sätten som infiltrationen kan anges på i MIKE 21. Figur 19. T.v. syns en schematisk bild över infiltrationen då den anges med constant infiltration with capacity. T.h. syns detsamma för net infiltration. (DHI, 2016) Översvämmade och torra beräkningsceller Beräkningsceller tas bara med i beräkningar ifall de är täckta av en viss mängd vatten. Så fort en cell blir torr tas den bort från beräkningarna. Genom att specificera flooding depth och drying depth i modellen sätts gränserna för när respektive beräkningscell ska tas med i beräkningarna och inte. 7.3 Metod och modell Material Mjukvarorna ArcMap samt MIKE 21 har använts för att ta fram indata för att skapa en hydrodynamisk modell över avrinningsområdet och MIKE 21 har använts för att utföra simuleringarna. Höjddata från Lantmäteriet samt markanvändningskarta från Stockholms Stad har i huvudsak används som grund för modellen som skapats i MIKE21. 36

55 7.3.2 Områdesbeskrivning Området för modellen är det avrinningsområde som Rålambshovsparken är en del av. Parken anses viktig vad gäller infiltrationskapacitet då en stor tillrinning sker från intilliggande kvarter. Rålambshovsparken sträcker sig i nordväst- sydöstlig riktning ner mot Mälaren. Ner mot vattnet finns en lågpunkt som ofta översvämmas vid kraftiga regn, och en stor del av tillrinningen sker från parkens sydvästra gräns Val av modul Då denna studie enbart tittar på hur vattnet flödar valdes den första modulen, Hydrodynamic Only, för modellen Topografi Eftersom syftet med modellen i MIKE 21 är att kunna studera översvämmningsriskerna är det av intresse att räkna in hela det bidragande avrinningsområdet till Rålambshovsparken. Då vattnet flödar över markytan utgörs batymetrin i det här fallt av avrinningsområdets topografi. Därför togs ett avrinningsområde fram i ArcMap vilket sedan användes för att beskära topograin över området. Avrinningsområdet togs fram med hjälp av höjddata från Lantmäteriets (årtal), och samma höjddata användes sedan för modellens batymetri. I figur 20 ses Kungsholmen och avrinningsområdet är markerat med rött. Figur 20. Avrinningsområde för Rålambshovsparen skapad utifrån GSD-Höjddata, grid 2+ Lantmäteriet. Bakgrundsbild GSD-Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet Figur 21 visar batymetrin för modellen. Batymetrin har en gridstorlek på 2x2 meter och byggnaderna har höjts upp 2 meter. 37

56 Rålambshovsparken Figur 21. Batymetri som använts i MIKE 21 skapad utifrån GSD-Höjddata, grid 2+ Lantmäteriet Simuleringsperiod Simuleringsperioden valdes till 3 timmar då det ansågs vara tillräckligt för att vattnet skulle hinna färdas och ansamlas vid eventuella lågpunkter. Tidssteget valdes till 0,1 sekunder för att ett tillräckligt lågt courir number skulle uppfyllas och så kallade blow ups undvikas. Med blow ups menas extremt höga vattenstånd i vissa punkter Flood and dry I denna modell sattes värdena för översvämmade och torra celler till m respektive m. Eftersom vattenpelaren på marken antas vara relativt låg under hela simuleringsperioden väljs låga värden Initial surface elevation Samma fil som för batymetrin, alltså topografin över avrinningsområdet, men här definierad som Surface Elevation Nederbörd Nederbörden anges som source and sink valdes till ett 100-årsregn med en varaktighet på 30 min. Utifrån Dahlström (refererad i Stockholm Vatten 2016a) avlästes en regnvolym på 44,5 mm för regneventet. Enligt tidigare beskrivna klimatscenarior användes dessutom en klimatfaktor på 1,25 vilket gav en total regnmängd på 55,6 mm. 38

57 Eftersom ett blockregn med konstantregnintensitet ofta inte återspeglar verkliga förhållanden användes en modell för regnintensiteten hämtad från Flood Estimation Handbook Volume 4 (Centre for ecology and Hydrology 1999). Modellen föreslår följande uppdelning av regnet vilket innebär att 7,5 % av regnet faller under den första femtedelen. 10 % faller under den andra femtedelen, 45 % faller under den tredje femtedelen, 10 % faller under den fjärde femtedel och de sista 7,5 % av nederbörden faller under den sista femtedelen av regneventet: Figur 22. Fördelning av regnmängd under ett regnevent (Centre for Ecology and Hydrology 1999) Med en regnvolym på 55,6 mm och en varaktighet på 30 min ges följande regn: Tabell 17. Regnvolym samt regnintensitet för de fem tidssteg som regneventet delats upp i. tid efter simuleringens start regn [mm] regnintensitet [mm/h] [min] Infiltration Infiltrationen har bestämts med hjälp av de resultat som erhölls vid infiltrationsmätningarna. För att förenkla modellen delades avrinningsområdet endast in i hårdgjorda och permeabla ytor där infiltrationskapaciteten för de hårdgjorda ytorna sattas till 0, och infiltrationskapaciteten för de permeabla ytorna erhölls från infiltrationsmätningarna. Infiltrationen i simuleringarna angavs på två olika sätt; antingen som constant infiltration with capacity eller som net infiltration. Vid net infiltration användes horton-kurvor anpassade till infiltrationsmätningarna gjorda i Rålambshovsparken och parametervärdena 39

58 från dessa kurvor användes för att bestämma infiltrationskapaciteten för de permeabla ytorna i varje tidssteg. För samtliga simuleringar användes ett tidssteg på 6 min. Vid constant infiltration with capacity användes också värdena för f 0 och f c från de anpassade hortonkurvorna och infiltrationszonens mäktighet, porositet samt vattenhalt varierades för att undersöka hur dessa parametrar påverkade resultaten för simuleringarna. För de båda alternativa sätten att ange infiltrationen simulerades infiltrationsförlopp som motsvarade den högst uppmätta infiltrationskapaciteten i Rålambshovsparken, den lägst uppmätta samt en genomsnittlig infiltrationskapacitet som räknades ut med hjälp av medelvärden från f 0, f c och k för de fem kurvorna som ansågs användbara. I MIKE 21 undersöktes 11 olika infiltrationsscenarier där infiltrationen angavs på olika sätt, samt varierades i magnitud. Ett antal olika parametrar såsom infiltrationszonens mäktighet, vattenhalt och jordens porositet varierades också för att undersöka vilka utslag dessa får på infiltrationsförloppet i det valda avrinningsområdet. Tabell 18 visar de olika parametervärdena för simuleringarna där infiltrationen angetts som net infiltration. Tabell 18. Parametervärden där infiltrationskapaciteten angetts med net capacity för varje tidssteg utifrån framtagna Horton-kurvor. f0 [mm/h] fc [mm/h] k Scenario 1: min Scenario 2: medel Scenario 3: max Tabell 19 visar de olika parametervärdena för de simuleringar där infiltrationen angetts som constant infiltration with capacity. För scenario 4-6 samt 9-10 har volymetrisk vattenhalt och porositet räknats fram och uppskattats med hjälp av jordprovsanalyserna. Djupet på infiltrationszonen har satts antingen som DHI:s rekommenderade värde på 0,2 m eller som 0,9 meter då det vid inmätningar i Rålambshovsparken visade sig att grundvattennivån låg ca 1 meter under markytan. Porositeten och vattenhalten har även varierats i scenario 7 och 8 för att studera vilka effekter de får på infiltrationsförloppet i det undersökta avrinningsområdet. 40

59 Tabell 19. Parametervärden för de olika scenarierna som simulerats i MIKE 21 där infiltrationen angetts som constant infiltration with capacity. Infiltration [mm/h] Leakage [mm/h] Porosity [ ] water content [ ] Depth [m] Scenario 4:min Scenario 5:min Scenario 6: medel Scenario 7: medel Scenario 8: medel Scenario 9: medel Scenario 10: max Scenario 11: max Viskositet I MIKE 21 används begreppet eddy viscocity och i samtliga simuleringar sattes viskositeten till 0, Markråhet Markråheten anges som resistance i MIKE 21. Stockholms Vatten har vid tidigare skyfallskarteringar för Stockholm konstruerat en markanvändningskarta för Stockholm vilken har använts för modellen. Markråheten har ansetts vara kopplad till markytornas användningsområde och markanvändningskartan i figur 22 nedan har därför använts för att bestämma markråheten för de olika områdena i avrinningsområdet. 41

60 Figur 23 Markanvändningskarta samt teckenförklaring för avrinningsområdet (Stockholm Vatten, 2016) Modellen i MIKE 21 har förenklats ytterligare och Mannings tal för de olika områdestyperna ses i tabell 20. Värdena är satta fritt utifrån tidigare skyfallskarteringar som WSP gjort (Risberg, 2015). Tabell 20. Värden för markråheten för de olika områdestyperna som finns representerade i avrinningsområdet. (WSP, 2015) Markanvändning Mannings tal Vatten 40 Tak/Byggnader 70 Vägar 70 Hamnar och bryggor 70 Järnvägar 50 Kvartersmark ytterstadsbebyggelse 40 Grönområde 20 Skogsområde 5 Ospecificerad markanvändning 50 Kvartersmark innerstadsbebyggelse 50 Idrottsplatser Resultat MIKE 21 I resultaten från simuleringarna i MIKE 21 syftar termen scenario till de infiltrationsscenarier som beskrivs i tabell 18 och 19. Punkt a-e syftar till fem olika punkter som placerats ut i modellen i MIKE 21, för att i dessa punkter kunna titta närmare på förhållandena just där. Punkterna finns utplacerade i figur 24. Punkt a, b och c är utplacerade nära varandra men med olika marklutning där marklutningen i punkterna är som följer: a=11 grader, b=17 grader och c=20 grader. 42

61 c d e b a Figur 24. Rålambshovsparken med punkterna a-e utplacerade. Bakgrundsbild GSD-Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet Resultaten från simuleringarna i MIKE 21 visar en liten skillnad vad gäller utbredningen av översvämningar samt maximalt vattendjup mellan inmatningssätten net infiltration och constant infiltration with capacity. Vidare visar resultaten stor skillnad mellan de tre olika infiltrationskapaciteterna. Resultaten visar också att det i de simulerade scenarierna inte spelar någon roll vilken mäktighet som ges infiltrationszonen, däremot ger vattenhalt samt porositet större utslag när dessa varieras. Resultaten från de fem utplacerade punkterna visar att marklutningen inte har någon inverkan på infiltrationskapaciteten. De visar också att infiltrationskapaciteten i parkens sydvästra del är så pass stor att de två punkterna placerade i de mer centrala delarna av Rålambshovsparken tenderar att torka ut då infiltrationskapaciteten angetts till de högre värdena. Kartorna visar också att en vattenansamling bildas i centrala Rålambshovsparken, nära Mälaren vilket också stämmer överens med tidigare erfarenheter. I figur 25 syns den maximala utbredningen för vattendjup på över 1 dm. I rosa syns utbredningen för scenario 5, i grönt syns utbredningen för scenario 7 och i lila syns utbredningen för scenario

62 Figur 25. Maximal utbredning av vattendjup över 1dm där scenario 5 syns i rosa, 7 i grönt och 11 i lila. Bakgrundsbild GSD-Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet Kartan i figur 26 visar hur utbredningen av vattnet skiljer sig mellan de olika infiltrationsscenarierna vid simulerings slut. Jämförelsen har gjort mellan scenario 5, 7 och 11. Bilden visar tydligt att utbredningen för de översvämmade områdena ökar då infiltrationskapaciteten minskar. De lila områdena är översvämmade för samtliga scenarier, de gröna är översvämmade för scenario 7 och 5 och de rosa områdena är endast översvämmade då infiltrationskapaciteten har ansatts till det lägsta uppmätta värdet i Rålambshovsparken. 44

63 Figur 26. Vattendjup över 1dm vid simuleringens slut där scenario 5 syns i rosa, 7 i grönt och 11 i lila. Bakgrundsbild GSD- Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet Figur 27 visar vattnets utbredning vid simuleringens slut för scenario 7, 8 och 9. Kartan visar att scenario 7 har störst utbredning av vatten, 9 har minst utbredning och 8 ligger däremellan. Färgerna överlappar varandra vilket innebär att på att områden där scenario 9 har ett vattendjup har också scenario 7 och 8 det. Figur 27. Vattnets utbredning vid simuleringsslut, djup över 1dm visas. Scenario 7 syns i grönt, 8 i gult och 9 i orange Bakgrundsbild GSD-Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet 45

64 Grafen i figur 28 visar hur den infiltrerade volymen varierar för scenario 7,8 och 9. Från grafen syns att scenario 9, som hade minst utbredning av vatten vid simuleringens slut också har stört volym infiltrerat vatten. Likaså har scenario 7 minst volym infiltrerat vatten och 9 ligger däremellan. Infiltrerad volym scenario 7,8,9 punkt a infiltrerad volym [m3/cell] 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 scenario 7 scenario 8 scenario tid [min] Figur 28. Infiltrerad volym vatten för scenario 7,8 och 9. Figur 29 nedan visar infiltrationshastighet och vattendjup i punkt a för samma scenarier (7,8,9). Grafen visar att infiltrationshastigheten når samma maxvärde för alla tre scenarierna men den maximala hastigheten bibehålls längre för scenarier 8 och 9. Grafen visar också att inmatningssättet constant infiltration with capacity ger en i stort sett konstant maximal infiltrationshastighet som sedan snabbt sjunker till den slutliga infiltrationshastigheten, vilken är i det närmsta densamma som den läckagehastighet som angetts i MIKE 21. Grafen visar också att det är vatten på markytan i punkt a för samtliga scenarier. Infiltrationshastighet och vattendjup för scenario 7,8 och 9 i punkt a Infiltrationshastighet [mm/h] tid [min] 0,004 0,0035 0,003 0,0025 0,002 0,0015 0,001 0, vattendjup [m] hastighet scenario 7 hastighet scenario 8 hastighet scenario 9 vattendjup scenario 7 vattendjup scenario 8 vattendjup scenario 9 Figur 29. Infiltrationshastighet och vattendjup för scenario 7,8 och 9 i punkt a. 46

65 Figur 30 visar skillnaden i maximalt vattendjup mellan scenario 2 och scenario 7 vilket innebär att samma infiltrationskapacitet har angetts med net infiltration respektive constant infiltration with capacity. Som kartan visar är det mycket liten skillnad mellan de två sätten att ange infiltrationskapaciteten. Några få små områden visar en different på upp till 1,5 dm och i dessa fall har scenario 7 ett större vattendjup. Figur 30. Skillnad i maximalt vattendjup mellan scenario 2 och 7 Bakgrundsbild GSD-Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet Figur 31 visar hur den totala infiltrerade volymen vatten per beräkningscell skiljer sig mellan scenario 2 och 7. Kartan visar att det infiltrerar större volym vatten i sluttningarna om net infiltration används, medan constant infiltration with capacity ger större volymer infiltrerat vatten i lågpunkten i Rålambshovsparken. 47

66 a e Figur 31. Horton-Cap Medel. Bakgrundsbild GSD-Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet Vidare visar grafen i figur 32 att contant infiltration with capacity ger en något högre infiltrationsvolym än net infiltration vilket också syns på kartan då punkt a är belägen i ett orange område. Grafen visar också att det inte är någon skillnad på infiltrerad volym i punkt e, och den visar också att nettoinfiltrationen i punkt e blir 0 efter knappt 2,5 timme. 3 Infiltrerad volym beroende på inmatningsätt infiltrerad volym [m3/cel] 2,5 2 1,5 1 0, scenario 2 punkt a scenario 7 punkt a scenario 2 punkt e scenario 7 punkt e Figur 32. Infiltrerad vattenvolym i punkt a och e för scenario 2 (net infiltration) och 7 (capacity). Figur 33 visar vid vilken tid maximalt vattendjup uppnås. Det syns tydligt att vattnet ansamlas i Rålambshovsparken och speciellt i det område som är känt sedan innan att översvämmas vid skyfall. Vattnet ansamlas också på vissa innergårdar. Det syns också att maximalt vattendjup i Rålambshovsparken nås efter min, utom för en liten hårdgjord yta som syns i ljusgrönt på bilden, vilket betyder att det sedan börja sjunka undan. 48

67 Figur 33. Tid för maximalt vattendjup, scenario 7. Bakgrundsbild GSD-Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet Figur 34 och 34 visar korrelationen mellan infiltrerad volym vatten i Rålambshovsparken, och var det finns vatten kvar på markytan vid simuleringens slut i scenario 7. Figur 34 visar den infiltrerade vattenvolymen per beräkningscell och figur 35 visar i blått vilka områden som fortfarande är täckta med vatten vid simuleringens slut. I de röda områdena i figur 34 infiltrerar mycket vatten jämfört med andra delar av parken, och i figur 35 syns det att dessa områden också är täckta av vatten vid simuleringens slut. Det röda området i mitten av parken visar ett område som sedan tidigare är känt att ofta översvämmas vid skyfall. Här infiltrerar också stora mängder vatten, och på vissa platser finns stående vatten också vid simuleringens slut. 49

68 Figur 34. Infiltrerad volym i m3/beräkningscell vid simuleringens slut för scenario 7. Bakgrundsbild GSD-Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet Figur 35. Infiltrerad volym i m3/beräkningscell vid simuleringens slut för scenario 7. Områdena som är täckta med över 1dm vatten vid simulerings slut är markerade i blått. Bakgrundsbild GSD-Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet 50

69 Grafen i figur 36 visar att det inte är någon skillnad i varken infiltrerad volym eller infiltrationshastighet beroende på marklutning. Grafen visar således att spannet på marklutning som återfinns i Rålambshovsparken inte ger upphov till förändringar i infiltrationsförloppet. Infiltrationshastighet och infiltrerad volym för olika marklutning, scenario 7 Infiltrationshastighet [mm/h] tid [min] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Infiltrerad volym [m3/cell] hastighet a hastighet b hastighet c volym a volym b volym c Figur 36. Infiltrationshastighet och infiltrerad volym för scenario 7 i punkterna a, b och c. Figur 37 visar hur den infiltrerade volymen per beräkningscell varierar beroende på den ansatta infiltrationskapaciteten samt infiltrationszonens mäktighet. Grafen visar att den infiltrerade volymen för cellen i fråga (punkt a) endast beror på den ansatta infiltrationskapaciteten, och inte på infiltrationszonens mäktighet för scenario 5 och 11. För scenario 7 syns en liten skillnad mellan de två ansatta mäktigheterna (0,2 och 0,9 m). infiltrerad volym beroende på infiltrationskapacitet samt mäktighet infiltrerad volym [m3/cell] tid [min] scenario 5 scenario 4 scenario 6 scenario 7 scenario 10 scenario 11 Figur 26. Infiltrerad volym vatten ber beräkningscell. Grafen visar hur den infiltrerade vattenvolymen beror på infiltrationskapaciteten samt infiltrationszonens mäktighet. Figur 38 visar vattnets maximala hastighet under simuleringsförloppet för scenario 7. Kartan visar att vattenhastigheten för större delen av området är lägre än 0,5 m/s. Framför allt längs med gatorna uppnås vattenhastigheter på 0,5-2 m/s och på ett fåtal platser nås vattenhastigheter på upp till 5 m/s. 51

70 Figur 38. Maximal vattenhastighet, scenario 7. Bakgrundsbild GSD-Ortofoto, 0,5m färg Lantmäteriet 8. Diskussion 8.1 Infiltrationsförsök Hypotesen för infiltrationsmätningarna som gjorts i studien var att infiltrationsförloppen skulle likna de kurvor som Hortons ekvation beskriver. För vissa av mätningarna stämmer detta men vissa visar infiltrationsförlopp med konstanta infiltrationshastigheter, och andra visar infiltrationsförlopp där infiltrationshastigheten fluktuerar över tid. För de flesta av mätningarna har infiltrationshastigheten visat sig vara högre i början av mätningarna för att sedan avta och de flesta mätningarna nådde en konstant infiltrationshastighet efter minuter. Gemensamt för alla mätpunkter är att infiltrationskapaciteten varierar stort på så små sträckor som 2 meter vilket skapat diskussion under arbetets gång och potentiella anledningar kommer diskuteras senare. Vissa av mätningarna stabiliseras inte helt vilket också kommer diskuteras. De olika mätningarna har vidare pågått under olika lång tid och två olika typer av infiltrometrar har använts och hur det har påverkat resultaten kommer också att behandlas senare. Slutligen kommer resultaten från den här studien ställas i relation till de resultat som tidigare studier kommit fram till Mätningar Norra Djurgården Vid det första mättillfället visade en av mätningarna betydligt lägre infiltrationshastigheter än de andra två, samtidigt som resterande uppvisade stora variationer i infiltrationshastigheten under mätförloppet. De stora variationerna i mätning 1.1.b och 1.1.c kan bero på ett flertal olika faktorer. På grund av en relativt hög infiltrationshastighet, samt en lågt hållen vattennivå i innerringarna behövde vatten fyllas på ofta. Vattnet kan ha 52