Stofkoncentrationer i regnbetingede udledninger fra fællessystemer

8. Perspektiver for den videre udvikling

8.1 Nye simple beregningsværktøjer
8.2 Nyt paradigme for modelberegninger
8.3 Målinger og bearbejdning

8.1 Nye simple beregningsværktøjer

Som omtalt i afsnit 2.2 kan de hidtidige beregningsværktøjer, dvs. arealenhedstal i (Miljøstyrelsen, 1990b) og diagrammer i (SVK, 1984) ikke fortsat anvendes uden korrektioner i forhold til det regionale nedbørsmønster. Dette skyldes, at de er udarbejdet på baggrund af Odense-regnserien, der giver udpræget lave aflastningsvolumener i de fleste tilfælde (SVK, 1999). Desuden tager metoderne umiddelbart ikke højde for betydningen af first flush fænomenet, som det er fortolket i anbefalingen, kapitel 7.

Der er beregnet nye arealenhedstal på baggrund af historiske regnserier fra Spildevandskomiteens Regnmålersystem og de anbefalede typetal. De beregnede arealenhedstal er gældende for typiske oplande, men alligevel er det nødvendigt med 4 gange så mange tabeller som hidtil, forårsaget af variationen af nedbørssmængder og typetal for stofkoncentrationer. Det er med den nuværende bearbejdning og de tilgængelige måledata ikke realistisk med yderligere detaljeringsgrad for arealenhedstal.

Som omtalt i afsnit 2.1 er den nuværende avancerede manuelle beregningsmetode baseret på følgende udtryk

(8.1)

hvor V_a er det aflastede vandvolumen med den gennemsnitlige stofkoncentration C_a, og m_å er det gennemsnitlige blandingsforhold mellem overvand og spildevand i det aflastede volumen. V_a og m_å kan på basis af forud beregnede kurver i Spildevandskomiteens skrift nr. 21 (SVK, 1984) findes som funktion af det konkrete afløbssystems afløbstal og bassinvolumen. Kurverne er konstrueret på baggrund af beregninger med Odense-regnserien som regninput.

Med den nuværende viden er det erkendt, at V_a, m_å og C_a vil variere som funktion af såvel afløbstal, bassinvolumen, årlig middelnedbør og nedbørsregion. Med disse variable indbygget som korrektionsfaktorer vil det være muligt at lave beregninger af de aflastede stofmængder på årsbasis. Det vil imidlertid ikke være realistisk og praktisk at udarbejde kurvesamlinger på samme måde som hidtil.

Et mere tidssvarende værktøj kunne være et regneark til beregning af aflastede volumen- og stofmængder på årsbasis og som ekstremhændelser baseret på de forklarende variable. Den underliggende model for beregningerne kunne være som skitseret i formel (8.1), men det vil sandsynligvis være mere hensigtsmæssigt at tage udgangspunkt i en mere generel modelformulering som den, der er benyttet til at modellere ekstremregn i Danmark (SVK, 1999). I denne model er det muligt at inkludere væsentlige usikkerheder og korrelationer på inputsiden og vurdere usikkerhederne på de beregnede værdier. Et sådant regneark vil erstatte brugen af arealenhedstal.

8.2 Nyt paradigme for modelberegninger

Et nyt paradigme vil bevæge sig fra identifikation af typiske koncentrationsniveauer for kombinationer af oplandskarakteristika, bassintyper og –volumener etc. til typiske proceskonstanter og typiske parameterværdier. Man kan forestille sig, at der er behov for opbygning af en modelstruktur, der udover typetal skal kunne beskrive tre processer: 1) opbygning og erosion af stof i forbindelse med afstrømning fra oplandet, 2) Fordelingen af stof i overløbsbygværket, og 3) sedimentation i bassiner.

En så detaljeret modelbeskrivelse har kun mindre relevans i forbindelse med det nationale overvågningsprogram. Her er de helt dominerende usikkerheder de tilknyttede arealer og koncentrationsniveauer. Men ved mere detaljerede lokale undersøgelser, hvor der skal ske udbygninger af afløbssystemet, kan en mere detaljeret modelstruktur for afstrømningen i afløbssystemet ændre på, hvilken kombination af tiltag, der er optimal i valget mellem tilbageholdelse, lokal og central rensning. Endelig er behovet for mere nøjagtige stofafstrømningsmodeller aktualiseret af udviklingen på sensor-området, hvor det i dag er muligt at få pålidelige estimater på den øjeblikkelige stofafstrømning på baggrund af on-line målinger.

8.2.1 Afstrømning fra oplandet

Opbygning og afrivning af sedimenter på overflader og i afløbssystemer kan beskrives på mange niveauer. Det mest detaljerede niveau er angivelse af fraktioner af partikelstørrelser for alle stoftyper og derefter regne på forskydningsspændingen for partikler og på opbygning og afrivning af biofilm på alle rørstrækninger for lange tidsserier. Dette niveau er dog urealistisk. Beregningerne vil i sig selv være tidskrævende, men nok så væsentligt er det, at det i praksis ikke er økonomisk rentabelt (hvis overhovedet muligt) at tilvejebringe de målinger, som skal bruges til at kalibrere modellen med. Det understreges, at modeller til rutinemæssig brug ved beregning af årsafstrømning ikke bør være mere detaljerede end svarende til det informationsgrundlag, der findes i måledata.

Det skønnes at være realistisk at modellere opbygningen i tørvejr og resuspensionen i regnvejr som simple 1. ordens processer som skitseret på figur 8.1. På figuren er angivet et niveau for maximum og et niveau for minimum mængde af stof i afløbssystemet. Maximum angiver det niveau, hvor alle lunker mv. er fyldt med sedimenter, der ikke udvaskes af tørvejrsafstrømningen, og rørsiderne er bevokset med biofilm, mens minimum angiver det niveau, hvor alt resuspenderbart materiale er udskyllet. For hele oplandet benyttes derfor maksimalt 4 parametre for hver stofkomponent; to for niveauer og to 1. ordens konstanter. Ved at sætte de to niveauer til samme værdi opnås samme beregning som hidtil.

Modellen vil være i stand til konceptuelt at beskrive den observerede variation, se figur 8.1. Regnhændelse 1 er stor og indtræffer efter en længere tørvejrsperiode. Derfor er regnhændelsen tydeligt influeret af first flush. Regnhændelse 2 indtræffer kort efter og der er derfor kun opbygget et lille depot af stoffer i afløbssystemet. Hændelsen er derfor uden større koncentrationsændringer og HMK er lav. Hændelse 3 er en lille regn efter en længere periode med tørvejr. Der er stadig meget stof i systemet ved regnens ophør, og derfor er der ingen større koncentrationsændringer indenfor hændelsen. HMK for hændelse 3 er dog væsentligt højere end for hændelse 2.

8.2.2 Fordeling i bygværket

Der er i tidligere arbejder implicit antaget, at et bygværk er på nogle få kubikmeter. Dermed er der under kraftige regn så turbulente forhold i bygværket, at det med rimelighed kan antages at være ideelt opblandet.

I nogle bygværket tilstræbes det dog at skabe rolige strømningsforhold, hvorved der vil være en vertikal koncentrationsgradient. Højden på overløbskanten har dermed en vis indflydelse på overløbskoncentrationerne. Man kunne modellere denne sammenhæng ved at angive overløbskoncentrationen som en fast procentsats af koncentrationen i indløbet. Derved sikres en kompatibiliteten bagud, idet en procentsats på 100 svarer til de nuværende beregninger.

8.2.3 Sedimentation i bassiner

De fleste bassiner skal efter regnhændelser renses for en større mængde sedimenter, hvilket viser, at sedimentation forekommer hyppigt. Strømnings- og dermed opblandingsforholdene har stor betydning for, hvor stor sedimentationen er i hvert enkelt tilfælde. Sammenhængen er dårligt belyst af danske målinger, men i f.eks England er der mange erfaringer med udformning af bassiner. Man kan i en konceptuel model modellere sedimentationen for den partikulære fraktion af den pågældende stoftype og angive en sedimentationshastighed for denne fraktion. Ved at angive en sedimentationshastighed på nul opnås samme beregninger som hidtil.

8.2.4 Opsamling

I de foregående afsnit er skitseret et modelkompleks, der vil være en kraftig udvidelse af mulighederne for at adskille stofafstrømningen fra volumenafstrømningen. Det nuværende datamateriale kan benyttes til en første beskrivelse af afstrømningen i oplandene, dog med det forbehold, at der kun er få hændelser fra kun to oplande med fraktioneret prøveudtagning og dermed usikkerhed mht. den generelle gyldighed af resultaterne. Litteraturundersøgelsen har vist, at der er lavet lignende målinger i andre lande, hvorfra man muligvis vil kunne benytte data til verifikation af modelstruktur og parameterestimater.

Før konceptet udvikles og implementeres er der behov for yderligere målinger i Danmark, især i oplande, hvor der måles på flere stofstrømme i fordelerbygværket med fraktioneret prøveudtagning. Det er i næste afsnit skitseret, hvorledes et sådant prøveprogram kan designes.

8.3 Målinger og bearbejdning

Udvælgelsen af måleoplande og målemetoder er beskrevet i Miljøstyrelsen (1990b). For bedre at kunne identificere forskelle mellem oplande bør det sikres, at forskellige typer af oplande inddrages i undersøgelsen. Den nuværende viden tyder på, at det primært er ledningssystemet, der har betydning for variationen i koncentrationer af de stoftyper, der her er fokuseret på (N, P, COD og SS). Ved udvælgelsen bør viden om fysisk indeks og kendte sedimentationsproblemer indhentes, ligesom de vigtigste ledningsstrækninger bør inspiceres med TV.

Det er endvidere centralt for udvikling af et mere detaljeret koncept, at der måles på flere stofstrømme omkring et bygværk. Det ideelle er at måle på såvel tilløb, overløb og afløb; den mindst vigtige måling er vandføringen i afløbet, da den med god nøjagtighed kan bestemmes ud fra vandstanden i bygværket.

Man bør vælge oplandene, så overløb fra både off-line og in-line bassiner analyseres. Det er centralt for den videre udvikling, at prøverne udtages flowproportionalt og fraktioneret på samme tidspunkt for alle målepunkter i bygværket. Der bør være selvstændige analyser for fraktioner på maksimalt 2 mm for de første 6 mm afstrømning; derefter kan der benyttes en grovere fraktionering. Endelig bør det sikres, at der skaffes et repræsentativt udvalg af store og små regn. Efter en kontinuert måleperiode kan man eventuelt lade være med at analysere nogle regnhændelser, som skønnes at være repræsenteret i det hidtidige måleprogram.

Der bør endvidere udvælges et målested nedstrøms i et større afløbssystem for at sikre data til verifikation af beregningerne. Målestedet kan med fordel vælges nedstrøms for et andet målebygværk. Endelig kan der med fordel etableres et måleprogram, der analyserer strømnings- og sedimentationsforhold i bassiner.

8.3.2 Forbedret databearbejdning

Det er muligt at opstille og estimere den i afsnit 8.2.1 skitserede model på baggrund af de allerede udførte målinger. Modelstrukturen bør primært identificeres på baggrund af de fraktionerede prøver fra Soldalen med støtte fra målingerne fra Hasseris. Men modelstrukturen kan afprøves også på oplandene uden fraktionerede prøver, specielt hvis afstrømningshydrograferne kan fremskaffes for de gamle måleoplande. I bearbejdningen bør der lægges stor vægt på usikkerheden og identificerbarheden af modelstrukturen.