Økologisk byfornyelse og spildevandsrensning, 44 – Lokal afledning af regnvand - effekten af et detaljeret projektforslag på Tingbjerg

Lokal afledning af regnvand - effekten af et detaljeret projektforslag på Tingbjerg

3 Værktøjer og datagrundlag

Som grundlag for arbejdet er der indsamlet data fra en række forskellige kilder; herunder ved at udføre forsøg i marken. De indsamlede data har skullet belyse bebyggelsen, jordbundsforholdene og grundvandsforholdene samt områdets afløbssystem. Samtidig har data skullet fungere som inddata til de edb-modeller, der er blevet opstillet, til simulering af vandstrømningen i området.

3.1 Software til simulering af vandstrømning

Vandstrømningen i projektområdet og hele Tingbjerg er blevet analyseret ved at koble tre modelværktøjer MIKE SHE, MOUSE og STORM.

3.1.1 MIKE SHE

Til modellering af infiltrationen og grundvandsforholdene i det udvalgte projektområde på Tingbjerg, kaldet Gavlhusgården, er anvendt programmet MIKE SHE, der er et deterministisk og fysisk baseret fuldt distribueret modelsystem, som beskriver de væsentligste strømningsprocesser i landfasen af det hydrologiske kredsløb. Programmet anvender Finite Difference beregningsmetoden (FDM). Modelsystemet består af en række moduler, der hver især udgør en hydrologisk proces, men som alle er koblede, (DHI, 1999).

Klik her for at se Figur 3.1

Ved opstillingen af modelsystemet for Tingbjerg er anvendt følgende moduler fra MIKE SHE vers. 2000:

ET, beregner fordampningen udfra oplysningen om potentiel fordampning og vegetation
UZ, beregner strømningen i den umættede grundvandszone
SZ, beregner strømningen i den mættede zone.

3.1.2 MOUSE

Til modelleringen af afløbssystemets funktion på Tingbjerg er programmet MOUSE anvendt. MOUSE er i lighed med MIKE SHE er et deterministisk og fysisk baseret og distribueret modelsystem, der benytter Finite Difference beregningsmetoden (DHI, 1999). MOUSE beskriver afstrømningen fra befæstede overflader ved hjælp af en simpel lineær model, og vandstrømningerne i afsløbsrørene beskrives på baggrund af St. Venants ligninger (dynamisk bølge teori). Det sidste er nødvendigt på Tingbjerg, da overløb under regn kun forekommer efter opstuvning af regn i kloaksystemet (se afsnit 4.4).

MOUSE er på baggrund af en beskrivelse af afløbssystemet og input fra registrerede nedbørshændelser i stand til at beregne en række parametre for alle definerede knudepunkter i afløbssystemet. Resultaterne kan præsenteres statistisk vha. programmets indbyggede funktioner. Det gælder fx. variationer i vandstande og flow, pumpede vandmængder og antallet af nødoverløb fra kloakken. Der er anvendt et langtidssimuleringsmodul (LTS), som gør det muligt at gennemføre beregninger for lange tidsserier af flere års længde.

3.1.3 STORM

Til modellering af systemer til lokal afledning af regnvand er programmet STORM 2000 benyttet. STORM er som MIKE SHE og MOUSE et deterministisk og fysisk baseret simuleringsprogram, men hvor de to andre programmer er fysisk distribuerede, er STORM en konceptuel hydrologisk model, som beregner massebalancer for de forskellige komponenter på grundlag af forenklinger af de hydrologiske delprocesser: Fordampning, afstrømning, infiltration og opmagasinering. STORM kan som MOUSE-LTS benyttes til at gennemføre beregninger for lange tidsserier af flere års længde på baggrund af en målt tidsserie af nedbør.

I princippet minder STORM om simuleringsprogrammet SAMBA, der benyttes meget i Danmark i forbindelse med beregninger for afløbssystemer bestående af afstrømningsoplande, rørstrækninger, bassiner og overløbsbygværker. Den væsentligste forskel er, at STORM udover de nævnte basisfunktioner kan håndtere komponenter på en væsentligt mindre fysisk skala og indeholder en række standardkomponenter til lokal afledning af regnvand, som kan benyttes ved simuleringerne. I projektet et benyttet standardkomponenter for afstrømningsoverflader, infiltrationstrug (bevoksede fordybninger i terræn, som f.eks. infiltrationsrender og -damme), faskiner og et specielt LAR element kaldet et trug-faskine system, der specielt benyttes meget i Tyskland.

Desuden indeholder programmet en brugerflade, der gør det let at eksportere data, der skal benyttes som input til andre programmer, i dette tilfælde tidsserier for infiltration fra LAR-systemerne, som skal benyttes som input til MIKE SHE modellen. Infiltrationen beregnes i STORM på en forenklet måde afhængigt af jordens infiltrationskapacitet (for trug) eller hydrauliske ledningsevne (for faskiner) og det beskyllede overfladeareal, som afhænger af LAR-komponentens geometri og den aktuelle vanddybde. Beregningen er i projektet tilpasset, så den svarer til den måde, infiltration beregnes på i Spildevandskomiteens skrift nr. 25 om dimensionering af anlæg til lokal afledning af regnvand. Et eksempel på beregning af infiltrationen fra en faskine med den aktuelle vanddybde h er vist på figur 3.1.

Figur 3.1 Magasineringsvolumen og infiltration fra en faskine med længden L, bredden B og vanddybden H, og som er fyldt med stenmateriale med porøsiteten og omgivet af jord med den hydrauliske ledningsevne K.

STORM udvikles af et mindre tysk ingeniørfirma, der har specialiseret sig i planlægningsopgaver med anvendelse af lokal afledning af regnvand. Der er altså ikke tale om et internationalt anerkendt og velafprøvet produkt som MIKE SHE og MOUSE modellerne. En test-version af programmet med engelsk brugerflade blev velvilligt stillet til rådighed for projektet, ligesom firmaet var behjælpelig med konvertering af regndata til det rette format. En stor del af indsatsen i dette projekt har gået med i samarbejde med firmaet at tilpasse programmet til projektets behov.

3.2 Data om geologi og grundvand

3.2.1 Baggrundsdata fra GeoGIS

Ved vurderingen af de geologisk og hydrogeologiske forhold ved Tingbjerg er anvendt data fra en GeoGIS database med oplysninger om et stort antal boringer i området (RAMBØLL, 2002a), data fra en digital, tredimensional geologisk model for Københavnsområdet samt flere grundvandsmodeller for området (RAMBØLL, 2002b).

3.2.2 Borearbejde, pejlinger af grundvandsstanden og infiltrationsforsøg

Til vurdering af jordlagene og grundvandsniveauet på Tingbjerg og i det udvalgte projektområde, Gavlhusgården, er der i perioden 20. til 29. marts 2000 blevet udført en række boringer ved 3 lokaliteter i gården og 2 lokaliteter uden for gården. Boringerne i Gavlhusgården blev i begyndelsen af september 2000 suppleret med tre korte boringer filtersat i bunden af fyldlaget. Placeringen af boringerne fremgår af flere figurer i kapitel 4, figur 4.4, 4.5 og 4.9. Filtersætningen af de tre boringer i Gavlhusgården er desuden illustreret på figur 4.5.

Vandstanden i de udførte boringer er blevet pejlet ca. hver anden uge fra boringernes etablering til begyndelsen af august 2001. Umiddelbart nord for Tingbjergbebyggelsen blev der fundet en boring, hvis oprindelse ikke kendes, med et 5 m dybt pejlerør. Denne boring er også blevet pejlet. Placeringen af boringen, der er døbt 'Ukendt', fremgår af figur 4.9. Pejleresultaterne er vist på figur 4.6 – 4.8.

For at opnå et skøn over vandføringsevnen i de øvre jordlag i Gavlhusgården

blev der udført et simpelt infiltrationsforsøg i pejlerørene på lokalitet 3. Resultaterne indikerede, at den horisontale vandføringsevne i fyldlagene kunne beskrives ved en hydraulisk ledningsevne, K, på 1 til 210-5 m/s (0,1-0,2 m/s) og den underliggende moræneler ved en ca. 200 gange lavere vandføringsevne. Til sammenligning kan det nævnes, at flere eksprimenter med infiltration fra faskiner i dansk byjord peger på en effektiv hydraulisk ledningsevne i intervallet 0,1-10 m/s (Mikkelsen et al., 1998).

Arbejderne og resultaterne er beskrevet mere detaljeret i bilag A.

3.3 Oplysninger om afløbssystemet

Som grundlag for opbygningen af den første rå beskrivelse af afløbssystemet på Tingbjerg er fra Københavns Energi indhentet kortplaner, der viser hovedledningernes forløb i Tingbjerg, og GIS-data om ledningsdiametre, ledningsfald, brøndkoter og –koordinater. Endvidere er projekttegninger af overløbsbygværket ved Fæstningskanalen benyttet til at fastlægge detaljer såsom overløbskote og kantlængde. Endelig har Gladsaxe Kommune bidraget med oplysninger om de ledninger, der forløber i Tingbjergs nordvestlige hjørne.

Til opdeling af området i 5 kategorier - græs, bede, tage, fortov og vej - til brug for afstrømningsvurderingerne er indhentet flyfotos fra Københavns Energis samling, og Stadskonduktørens grundlæggende matrikelkort er studeret.

Fra Byggeri- og Boligforvaltningen er modtaget en række sagsmapper, som for hver byggesag i området redegør for dimensioneringen og placeringen af nedløbsrør, afløbsinstallationer, stikledninger og dræn. Oplysninger om de offentlige ledninger i området er fra Københavns Kommunes GIS-system, mens data om private ledninger herunder dræn stammer fra Byggeri- og Boligforvaltningen.

Til analyse af overløbssituationer er der indhentet data fra Københavns Energi's Styrings-, Regulerings- og Overvågningssystem (SRO-system), der opsamler data omkring pumpeydelser, flow og vandspejlskoter for en lang række bygværker. Oplysninger om overløbshændelser ved Fæstningskanalen stammer fra Gladsaxe Kommunes SRO-system.

3.4 Nedbørsdata

Som grundlag for beregninger med de forskellige programmer faldt valget på historiske regnserier fra Spildevandskomitéens landsdækkende system af elektroniske regmålere, der serviceres af Danmarks Meteorologiske Institut (SVK, 1980; Nielsen, 2002). Disse data udmærker sig ved at have en høj tidsmæssig opløsning (1 minut), som er nødvendig i forbindelse med simuleringen af LAR-anlæg og afløbssystemet, og ved at kunne hentes gratis fra Internettet (SVK, 1999).

De nærmeste regnmålere fra dette net er placeret i Søborg og Gladsaxe. Til kalibreringskørslerne med MIKE SHE er derfor benyttet regndata fra Søborg (station 30222) for at sikre overensstemmelse mellem regndata og registrerede vandspejlsvariationer.

For at få en regnmåler til modelsimuleringerne med flest mulige registrerede nedbørshændelser over en lang årrække faldt arbejdsgruppens valg imidlertid på regnmåleren fra Virum, station 30221. Virum regnserien udmærker sig ved at have en lang registreringsperiode (1979-96) og en relativ beskeden udfaldstid (224 dage). De tilgængelige data har en korrigeret observationsperiode på 17,39 år. Fra stationen måles i gennemsnit en årsmiddelnedbør på 628 mm, hvilket er lidt mindre end de 640 mm, der iflg. DMI's kort over årmiddel falder på lokaliteten. Forskellen skyldes, at målerne fra dette net er såkaldte ”vippekar målere”, der måler meget nøjagtigt ved høje regnintensiteter men til gengæld registrerer for lidt nedbør ved meget små intensiteter.

Til MIKE SHE og STORM simuleringerne er kun anvendt regndata fra 1995, hvor årsnedbøren er 676 mm. Regnserien, som er anvendt ved MOUSE-beregningerne, indeholder 715 regn over 4 mm i perioden 1/1-1980 til 1/1-1997.