Stofkoncentrationer i regnbetingede udledninger fra fællessystemer

3. Stofafstrømningens processer

3.1 Kilder og processer
3.2 Beregning af overvandskoncentrationer

Nedenfor i er kort skitseret de processer og definitioner, som er nødvendige for forståelsen af de følgende kapitler.

Figur 3.1 giver et illustrativt billede af den mangfoldighed af kilder og processer, der påvirker stofafstrømningen under regn. Figuren indeholder endda ikke bassiner, overløb og renseanlæg med deres indvirkning på stofmængden.

Figur 3.1
De mange kilder og processer, der påvirker stofafstrømningen fra byer under regn (Göettle, 1978).

For recipienterne er stofafstrømningen under regn af stor vigtighed. Som led i Vandmiljøplanens overvågningsprogram er det beregnet, at de regnvandsbetingede udledninger i Danmark udgør 10-15% af de totale udledninger på årsbasis af COD, N og P, industri og fiskeopdræt inkluderet (Miljøstyrelsen, 1999). Netop den stødvise forureningsbelastning i løbet af korte tidsrum udgør et selvstændigt problem. Til sammenligning skønnede Ellis (1986), at 35% af de årlige udledninger af stof til omgivelserne i Storbritannien kommer fra overløb fra fælleskloakerede afløbssystemer der er i funktion i 2-3% af tiden

3.1 Kilder og processer

Der er to kilder til forurening i afstrømningen fra fællessystemer under regn:

• Hvad der deponeres på de tilsluttede, befæstede overflader både i tørvejr og under regn.
• Hvad der tilføres afløbssystemet både i tørvejr og under regn.

Kilder fra urbane overflader

Den første kilde bidrager i tørvejr ved nedfald og akkumulering af støv og snavs på veje, fortove, tage mv., og desuden ved decideret spild eller anvendelse af specielle stoffer i forbindelse med f.eks. trafik, vejsaltning eller ukrudtsbekæmpelse. Under regn udvaskes stoffer fra atmosfæren samt fra de befæstede overflader, ligesom nogle byggematerialer (f.eks. zink-tagrender) korroderes. Miljøstyrelsen (1997a) giver en god indføring i disse emner for en lang række stoffer, og det uddybes derfor ikke nærmere her.

Kilder i afløbssystemet

Den anden kilde er fra afløbssystemet selv, hvor der i tørvejr aflejres materiale fra spildevandsstrømmen og vokser biofilm på rørenes overflader ("kloakhud"). Under regn resuspenderes noget af det aflejrede materiale og biofilmen afrives, hvilket kan føre til forhøjede stofkoncentrationer sammenlignet med, hvad man normalt finder i regnafstrømning fra separatsystemer.

Materiale i afløbssystemer

I tabel 3.1 er det materiale, man finder i afløbssystemer, inddelt i 4 typer – fra groft materiale som sten, der findes ved bunden over mobile finkornede sedimenter og organisk "kloakhud" til fint cementeret materiale, der typisk findes fastkittet i bunden af bassiner. Det fremgår, at sammensætning af materialer i afløbssystemer varierer meget og til en vis grad hænger sammen med kloaksystemets hældning og generelle vedligeholdelsestilstand. Derfor må det forventes, at oplandets generelle karakteristika har en vis betydning for stofkoncentrationerne i afstrømningen under regn.

Afhængigt af hyppigheden af rengøring af de tilsluttede befæstede arealer samt afløbssystemets størrelse, ledningsfald og tilstand kan den ene eller den anden af de to kilder til stofindhold være dominerende.

Tabel 3.1
Typer af materiale i fællessystemer (IAWQ, 1996).

Transport og aflastning

Udformningen af afløbssystem, bygværker og bassiner kan endvidere have betydning for, hvordan stofafstrømningen opdeles i videreført materiale, opmagasineret materiale og aflastet materiale. Typisk udformes bygværker, så forskelle i densiteten udnyttes til at opdele stofafstrømningen, så det aflastede volumen er så rent som muligt. Derved opnås, at stofkoncentrationerne i aflastet vand vokser i nedstrøms retning. Effekten forstærkes af, at overløbene træder i funktion når der er mest regnvand, og den tyndeste fraktion af blandingen derved aflastes. Som det fremgår af Tabel 3.1 er en sådan effekt mindre for organisk stof end for suspenderet og partikulært stof, da de to komponenter med højt indhold af organisk har densiter, der ligger tæt på rent vand.

3.2 Beregning af overvandskoncentrationer

Mangfoldigheden af kilder og processer har nødvendiggjort store forenklinger for at nå en overkommelig karakterisering af stofafstrømningen fra afløbssystemer. I Danmark er det for fællessystemer almindeligt at opdele stofkoncentrationerne i to elementer, der reflekterer kilderne:

• Den daglige tørvejrsafstrømning.
• Bidraget fra regnafstrømningens processer.

Total stoftransport

For et givet punkt i afløbssystemet kan stoftransporten i den totale vandmængde (spildevand og regnvand) under en regnhændelse, M_total, beregnes efter følgende formel:

(2.1)

hvor C og er henholdsvis den øjeblikkelige og den gennemsnitlige koncentration, Q er den øjeblikkelige vandføring og V er det akkumulerede volumen i afstrømningshændelsen. M_total kan beregnes ved at måle den akkumulerede vandmængde, V_total, der har passeret målepunktet, og måle stofkoncentrationen, , i en flow-proportional prøve. Alternativt kan M_total bestemmes på baggrund af diskrete målinger af flow og stofkoncentration som en flow-vægtet middelkoncentration.

Hændelsesmiddelkoncentration (HMK)

Den totale stoftransport kan beregningsmæssigt opdeles i to bidrag, spildevandstilledningen og regntilledningen. Regntilledningen benævnes overvand for ikke at sammenblande denne vandtype med afstrømning fra urbane oveflader eller separate regnvandssystemer. Den gennemsnitlige koncentration af forureningskomponenter i overvandet i hele hændelsen benævnes HMK (hændelsesmiddelkoncentration). Dermed kan formel (2.1) omformuleres til:

(2.2)

For at kunne bestemme HMK for en given regnhændelse skal M_total (V_total og ) måles, og der skal opstilles en model for variationerne i spildevandskoncentrationer og –vandføringer på baggrund af målinger i tørvejr. V_overvand

findes ved at trække ò Q_spildevand dt fra V_total. Dermed er (2.2) reduceret til én ligning med én ubekendt, HMK.

Stationsmiddelkoncentration (SMK)

Der kan i nogle tilfælde forventes en variation af HMK som følge af systematiske variationer forårsaget af for eksempel årstidsvariationer, længden af tørvejrsperioder og karakteristika for regnhændelsen. Derfor beregnes ofte også en stationsmiddelkoncentration, i det følgende forkortet SMK. Denne koncentration fremkommer ved at beregne overvandskoncentrationen (HMK) for alle målte hændelser. Stationsmiddelkoncentrationen er en vægtet middelværdi af hændelsesmiddelkoncentrationerne, hvor det afstrømmede volumen er vægten. Under forudsætning af, at de målte regnhændelser er repræsentative for typen af hændelser i oplandet vil SMK være den gennemsnitlige koncentration for årsafstrømningen for det givne punkt.

Engelske benævnelser: EMC og SMC

Det bemærkes afslutningsvis at HMK og SMK undertiden omtales ved deres engelske benævnelse: EMC (event mean concentration) og SMC (site mean concentration).