Stofkoncentrationer i regnbetingede udledninger fra fællessystemer

4. Litteraturstudie

4.1 Metodik og afgrænsning
4.2 Variation mellem hændelser og stationer
4.3 Variation under hændelser
4.4 Betydningen af variation under hændelser

4.1 Metodik og afgrænsning

Litteraturstudiet er gennemført delvist på basis af relevant litteratur registreret på hhv. DTU og AAU og delvist på basis af søgning i litteraturdatabaserne The web of Science og Cambridge Scientific Abstracts Internet Database Service. De anvendte søgeprofiler er vist i bilag A.

Litteraturstudiet er afgrænset til at omfatte udenlandske undersøgelser indenfor regnafstrømning fra byer, hvor man har rapporteret målinger af stofindholdet, bearbejdet målte data, eller opstillet metoder til beregning af stofafstrømning. Væsentlig information er kommet fra oversigtsværker, der har resumeret store undersøgelser, specielt i tilfælde hvor de originale publikationer ikke er tilgængelige eller har et omfang, så det ikke umiddelbart er muligt at bearbejde dem.

I litteraturen angives hyppigst den totale koncentration af de målte stoffer i overløbsvand. Det er sjældent og fortrinsvist i Skandinavien, at konceptet "overvand" anvendes. Med mindre andet er angivet, gælder værdier der angives efterfølgende således den totale koncentration i blandingen af spildevand og overvand. Betydningen heraf vurderes for skandinaviske målinger at være begrænset, idet andelen af spildevand generelt er lav i forhold til mængden af overvand. I Mellem- og Sydeuropa er ledningsnettene imidlertid ofte dimensioneret med mindre kapacitet, hvilket medfører, at overløb sker oftere og med større andel spildevand end i Danmark. En direkte sammenligning mellem stofkoncentrationer i overvand og overløbsvand skal derfor tolkes med forsigtighed. Det vurderes dog umiddelbart, at der er andre mere betydende usikkerheder, der kan påvirke sammenligningen. Det er som oftest ikke dokumenteret, hvorledes prøvetagningen er foretaget, hvorvidt der er opstrøms bygværker, og hvorledes hændelser er defineret.

Det er ikke altid klart beskrevet i summariske litteraturoversigter, hvorvidt målingerne er foretaget i fælles- eller separatsystemer. Dette gælder især den store amerikanske NURP-undersøgelse (Nationwide Urban Runoff Program), der har stået som model for mange senere undersøgelser i forskellige lande. NURP-studiet genererede gennem perioden 1978-83 en database af HMK-værdier for mere end 2.300 enkelthændelser fordelt på 81 målestationer i 28 forskellige byområder (Smullen et al., 1999). Ingen andre måleprogrammer indeholder tilnærmelsesvis en tilsvarende datamængde, og derfor er NURP den i litteraturen hyppigst citerede undersøgelse.

Der er p.t. initiativer i USA med henblik på at supplere NURP-databasen med data fra nyere undersøgelser og bearbejde det samlede datasæt, og der er i den forbindelse taget kontakt til amerikanske videncentre for at opklare, hvilken type afløbssystemer, der ligger til grund for databasen. Pitt (1999) oplyser, at alle oplande indeholdt i NURP-databasen har separatsystemer, men at spildevandsbelastningen på grund af ulovlige spildevandstilslutninger mange steder er stor. Målinger i fællessystemer i USA er ikke blevet samlet og bearbejdet på tilsvarende systematisk vis. På grund af dette samt NURP-studiets betydning som internationalt referencegrundlag er det valgt at medtage data herfra i de videre sammenstillinger.

Det bør her påpeges, at det til tider kan være vanskeligt at skelne mellem kvaliteten af overvand og regnafstrømning (Saget et al, 1998), og at separatsystemer kan tilføres endog meget store mængder spildevand pga. fejltilslutninger af stikledninger som nævnt ovenfor og kortslutninger af separate regn- og spildevandsledninger pga. utætte kloakker. En canadisk undersøgelse påviste således mellem 5 og 30% fejltilslutninger af spildevand i separatsystemer (Field, 1984), og det er ikke ualmindeligt i Danmark, at vandføringen stiger både i de separate regn- og spildevandsledninger under regn.

Det kan også i litteraturen være vanskeligt at identificere, hvor i afløbssystemet (set i relation til overløbsbygværket) prøverne er taget. Der er påvist kraftige variationer i kvaliteten af vandprøver udtaget forskellige steder i afløbssystemer med en general tendens til, at stofkoncentrationerne stiger i nedstrøms retning (Gromaire-Mertz et al, 1998a,b). Med mindre andet er angivet, vil der i det efterfølgende antages, at prøverne er taget opstrøms for alle overløbsbygværker, ligesom for de danske måleoplande.

Litteraturstudiet er rapporteret i detaljer i bilag A, og i de følgende afsnit opregnes kun hovedresultaterne.

4.2 Variation mellem hændelser og stationer

Variation mellem hændelser og stationer karakteriseres ved de tidligere definerede middelværdier HMK og SMK (afsnit 3.2). I tabel 4.1 er sammenstillet data fra litteraturen, der karakteriserer variationen mellem oplande på basis af angivne værdier af SMK.

Usikkerhed på definition af HMK i litteraturen

I litteraturen angives hyppigt HMK-værdier, mens der sjældnere redegøres for, om et angivet variationsområde dækker variation mellem hændelser (ideelt set variation af HMK) eller variation mellem oplande (ideelt set variation af SMK). Desuden kan der være tvivl om, hvordan vægtningen af de individuelle hændelser er foretaget ved beregning af SMK, og der skelnes ikke altid klart mellem stations middelværdier og -medianer. Middelværdien er generelt lavere end medianen, da den statistiske fordeling af HMK-værdier typisk er skæv med forhøjet sandsynlighed for høje koncentrationer.

Variation mellem lande

Som det fremgår af tabel 4.1 er variationen mellem oplande betydelig. Figur 4.1 giver et indtryk af den store variationen mellem oplande eksemplificeret for SMK-værdier af COD i beboelsesområder i USA. Disse tal er indsamlet fra den originale NURP projektrapport (USEPA, 1983) og afbildet i figur 4.2 sammen med tilsvarende data fra Holland, Frankrig og Tyskland som funktion af befolkningstætheden og det reducerede oplandsareal. Det fremgår, at de amerikanske data generelt ligger lavest, at de hollandske ligger højest, og at de tyske og franske data ligger herimellem.

Betydningen af befolkningstæthed

Figur 4.2 indikerer en vis sammenhæng mellem SMK-værdien for COD og befolkningstætheden, hvilket kan skyldes et større aktivitetsniveau på de urbane overflader, og at en større befolkningstæthed og dermed spildevandsmængde under tørvejr forårsager en større opbygning af organiske sedimenter og kloakhud, der senere kan skylles ud under regn. Dette gælder uanset, om der er tale om fællessystemer eller separatsystemer med fejltilslutninger. Der er ikke set tilsvarende klare sammenhænge i datamaterialet for andre stofparametre.

Tabel 4.1     Se her!
Oversigt over SMK-værdier rapporteret i litteraturen, fordelt efter lande. Litteraturhenvisninger kan findes i bilag A.

Figur 4.1     Se her!
SMK-værdier for COD fra beboelsesområder i USA. De viste data er fra NURP-studiet (USEPA, 1983).

Betydningen af dimensioneringspraksis i forskellige lande

Forskellene mellem lande kan muligvis forklares med forskelle i almindelige dimensioneringsprincipper i landene. Hollandske afløbssystemer er generelt flade og er kendt for at akkumulere store mængder sediment, mens afløbssystemer i de fleste andre lande normalt forsøges lagt med en hældning, der sikrer selvrensning. Det må dog erkendes, at alene dette at sammenligne undersøgelser fra forskellige oplande og forskelle lande er behæftet med betydelig usikkerhed. Forskelle i definitioner, måleprocedurer og laboratorieprocedurer kan være store og bidrage til det store variationsområde.

Årsagen til de lave amerikanske værdier er formentlig, at oplandene som tidligere nævnt har separate regnvandssystemer. For til en vis grad at tage højde for dette er kun oplande, hvor SMK for COD er større end 50 mg/l, medtaget ved beregningen af de tal, der for NURP-studiet er angivet i tabel 4.1.

SMK er log-normal fordelt

Resultaterne for de enkelthændelser, som ligger bag beregningen af SMK, viser ofte en lognormal fordeling (Ellis, 1986; Harremoës, 1988; VanBuren et al, 1997). Tilsvarende fandt man i NURP-studiet (USEPA, 1983), at medianværdierne fundet ved hver målestation følger en lognormal fordeling. Alle SMK-værdier for TSS og COD registeret i litteraturstudiet er sammenstillet og testet for fordelingstype. Resultatet viste, at begge stoffer kan anses for at være lognormal fordelte.

Regressionsmodeller med inddragelse af data fra mange oplande

I USA har man på baggrund af NURP-databasen samt en række nyere måleprogrammer opstillet forskellige regressionsmodeller, der sammenholder HMK-værdier fra forskellige målestationer med de respektive oplandes karakteristika samt karakteristika for de enkelte afstrømningshændelser (Tasker & Driver, 1988; Driver & Tasker, 1990). I modellerne benyttes log-transformerede værdier af både den afhængige (HMK) og de uafhængige, forklarende variable. Generelt har det vist sig, at HMK-værdier falder med voksende regndybde af den enkelte hændelse, hvilket kan forklares ved fortynding. Dette har relation til variationen i HMK mellem hændelser. Derudover var det reducerede areal, oplandets type (beboelse, industri, blandet, handel) og årsmiddelnedbøren signifikante for nogle stofparametre, mens befolkningstætheden slet ikke var signifikant. Disse parametre har relation til variationen i SMK mellem oplande. Generelt var regressionsmodellerne i stand til at forklare 10-68% af den samlede variation, men det fremgår ikke umiddelbart, i hvilket omfang det er variation mellem hændelser eller oplande, der forklares bedst.

Regressionsmodeller for et givet opland

Hémain (1986) opsummerer en række undersøgelser, hvor det generelt er muligt at forklare en stor del af variationen af HMK for givet opland. For en række amerikanske og franske oplande rapporteres om forklaringsgrader på 50-90% for simple afstrømningsmodeller, såvel for estimation af HMK, total stofafstrømning pr. hændelse og variation under hændelser (flux).

4.3 Variation under hændelser

I litteraturen stødes ofte på betegnelsen "first flush", der indikerer, at der forekommer en udskylning af afløbssystemet i den første del af en afstrømningshændelse. Der er stor uenighed om den eksakte definition på dette fænomen, og derved bliver sammenligning af fænomenets størrelse og omfang besværliggjort.

Teoretiske overvejelser

Ud fra teoretiske overvejelser må man forvente, at den største del af forureningsmængden udskylles først. Begrundelsen er en serie af argumenter, der peger i den retning:

1. For fastholdt regnintensitet (og dermed vandføring) vil der være en given mængde sedimenter, der kan frigives. Efter nogen tid vil der ikke kunne ske yderligere afrivning af biofilm eller resuspension, uden en højere regnintensitet.

2. Man kan antage, at der er en given pulje af sedimenter, der kan udvaskes. Når puljen er tømt vil koncentrationen falde til et niveau svarende til tilførslen fra kilderne.

3. Undersøgelser har vist, at kraftige regnvejr hyppigst optræder med den kraftigste spids i begyndelsen. Den kraftigste påvirkning af afløbssystemet optræder dermed, mens der er flest sedimenter til rådighed.

Figur 4.3
Illustration af den sædvanlige afbildning ved undersøgelse af first flush fænomenet (øverst: Gupta & Saul, 1996) samt et eksempel, hvor stofafstrømingen af TSS er optegnet for et stort antal hændelse (nederst: Deletic, 1998).

Perspektivet ved at kunne påvise en first flush effekt er, at man i såfald vil kunne designe bassiner eller andre behandlingsanlæg, der kan håndtere den første, mest forurenede del af afstrømningen under regn.

Definitioner på first flush

Figur 4.3 (øverst) viser den afbildning, der sædvanligvis bruges ved diskussion af first flush fænomenet. Figuren giver en normeret afbildning af den akkumulerede stofafstrømning som funktion af den akkumulerede vandmængde. En lang række definitioner på, hvornår der er tale om en first flush effekt, har været foreslået (Geiger, 1986; Gupta & Saul, 1996; Saget et al, 1996; Sansalone et al, 1997; Deletic, 1998), f.eks.:

• Når hældningen på den akkumulerede stofkurve ligger over 1:1 kurven, dvs. når stofkoncentrationen er størst i starten af hændelsen.
• Når 80% af stofsmængden transporteres af de første 30% af vandmængden, eller når 50% af stofmængden transporteres af de først 25% af vandmængden.
• Når den største lodrette afstand mellem stofkurven og 1:1 kurven er større end 20%.

Definitionerne er alle mere eller mindre tilfældige, og det konkluderes ofte på baggrund af sådanne definitioner, at der ikke er et betydeligt first flush fænomen, uden at det i den forbindelse nævnes, hvad fænomenet skal sættes i relation til. Et eksempel er vist på Figur 4.3 (nederst), hvor stofkurver for et stort antal hændelser er optegnet for et parkeringsareal i Lund, Sverige. Gennemsnitligt er der tale om en svag first flush effekt, men for en stor del af hændelserne ligger stofkurven under 1:1 kurven, hvilket dybest set betyder, at der optræder en last flush effekt. Tilsvarende konklusioner er draget på baggrund af målinger i separat- og fællessystemer (Bertrand-Krajewski et al., 1998).

Der er også teoretiske overvejelser, der peger imod tilstedeværelsen af en first flush effekt, specielt nedstrøms i kloaksystemerne. Göettle (1978) analyserede effekten af at have flere deloplande, der hver især er influeret af et first flush fænomen. Han påviste, at hvis antallet af ens deloplande, der hver især er påvirket af first flush, er stort nok, kan effekten ikke observeres nedstrøms. Hans argumentation er angivet i skitseform på figur 4.4. Hvis der observeres first flush fænomener ved målepunkter nedstrøms i fællessystemer er årsagen derfor formentlig en større resuspension nedstrøms i afløbssystemet forårsaget af f.eks. lavere ledningsfald og dermed sedimentation pga. lavere strømningshastighed i tørvejr.

4.4 Betydningen af variation under hændelser

On-line og off-line bassiner

I tysktalende lande er det praksis at dimensionere bassinvoluminer under antagelse af, at der forekommer en first flush effekt (ATV, 1992). Derfor skelnes der i de lande mellem forskellige typer af bassiner, og det anbefales at udføre bassiner som såkaldte off-line bassiner. På figur 4.5 er det skitseret, hvad der forstås ved et off-line bassin, hvor spildevandet først ledes tilbage til overløbsbygværket, når der er plads i den afskærende ledning. Hvis en first flush effekt er tilstede, forventes en hvis grad af forureningstilbageholdelse i et off-line bassin, mens et on-line bassin ikke vil have samme effekt.

Det må imidlertid bemærkes, at effekten kan være anderledes, hvis der i stedet fokuseres på sedimentation i bassiner. Hér vil et on-line bassin være effektivt under hele afstrømningshændelsen, mens et off-line bassin kan være mindre effektivt afhængigt af dets udformning. I det efterfølgende fokuseres alene på effekten af first flush i forhold til aflastede mængder. Dette medfører, at off-line bassiner giver den største tilbageholdelse. I konkrete tilfælde bør valget mellem off-line og on-line bassiner foretages på basis af en samlet vurdering af de to effekter.

Som nævnt ovenfor er de traditionelle definitioner af first flush ikke sat direkte i relation til nogen problemstilling, og det er vanskeligt at udlede betydningen af f.eks. en signifikant first flush effekt, hvor 80% stof i gennemsnit transporteres af de første 30% vand. Larsen et al (1998) fulgte i stedet et andet spor, hvor modelsimuleringer med målte hydrografer og pollutografer som input benyttes til empirisk at beregne den effektive stoftilbageholdelse i bassiner.

Stoftilbageholdelse i off-line bassiner

Figur 4.6 viser for et off-line bassin tilbageholdelsen af vand for forskellige bassinstørrelser. Tilbageholdelse betyder her videreførsel til et renseanlæg gennem bassinets afløb, i stedet for overløb til omgivelserne. Der er taget udgangspunkt i et faktisk afløbssystem, hvor den afskærende ledning har en betydelig kapacitet i forhold til tørvejrsvandføringen. Uden bassinvolumen ledes derfor ca. 40% af vandmængderne videre til renseanlægget via den afskærende ledning, der har en vis overkapacitet. For meget store bassinvolumener føres alt vand til renseanlægget, og overløb undgås helt. Beregningerne er baseret på danske måledata, der også benyttes i databearbejdning i kapitel 5. Det vises her, at det benyttede opland har en usædvanligt kraftig first flush og at oplandet er en outlier i forhold til de øvrige danske måleoplande.

Den effektive tilbageholdelse af COD er også vist på figuren, og det ses, at den er ca. dobbelt så stor som tilbageholdelsen af vand. Dette skyldes netop, at det førstkommende og mest forurenede vand bliver opmagasineret i bassinet og ikke overløber. I en simpel modelberegning, hvor stofkoncentrationen er konstant, ville man opnå samme effekt ved at reducere HMK med 50%. Resulaterne vist i figur 4.6 har inspireret til modelsimuleringerne beskrevet i afsnit 5.6.