Biofiltration for stormwater management in Finnish climate

Abstract

Stormwater is traditionally drained from the source as fast as possible to receiving waters. However, along with rapidly increasing urbanization, the adverse effects of stormwater on the environment are recognized and new management strategies are developed with the aim to mimic the predevelopment state of urban areas. Relatively new techniques that rely on these kinds of principles are referred to as Low Impact Development (LID) systems in the USA, Water Sensitive Urban Design (WSUD) in Australia and Sustainable Urban Design Systems (SUDS) in the UK.

This study investigated the suitability of one of the LID techniques, biofiltration, for treating stormwater generated on a traffic area in Finnish climate conditions. The aim of this study was to define general guidelines for implementing biofiltration systems in the urban context. Additionally, the goal was to find effective design recommendations for a filtration system, which is to be built in Vantaa in southern Finland to manage and treat the stormwater generated on a new roundabout and its surroundings. Biofiltration systems work also as delaying structures but this study focused primarily on the stormwater quality issues.

This study is divided into literature review and design work. The literature review focused on presenting and comparing implemented biofiltration designs and their performance and the identification of the city areas where biofiltration systems could be integrated. Furthermore, the aim was to find the optimal structure for the conditions of the planned site and define the required reduction rates for selected pollutants by comparing stormwater pollutant concentrations to reference values defined in Stockholm. The information obtained from the literature was applied to practice in the design work.

The design catchment was modeled with the rainfall-runoff simulation model SWMM (Storm Water Management Model), the response of the catchment area to rainfall data was analyzed, and the hydrological effects of different filtration structures were modeled. The modeling objective was to identify the correct dimension and the best parameter combination for the designed structure for stormwater management in Vantaa.

The performance of biofiltration as a treatment system for stormwater is based on filtration of water through the soil layers of the structure and partly on the uptake of the nutrients by vegetation. According to literature, biofiltration is capable to efficiently remove heavy metals and suspended solids from stormwater whereas the effectiveness of nutrient removal has been shown to vary more and to be significantly lower. Even leaching of nitrogen and phosphorus from the growth media has been reported in various studies. In addition, proper maintenance of the biofiltration units has been proved to be essential for maintaining the good performance.

Hulevedet on perinteisesti johdettu suoraan vesistöihin ja niiden hallinta on tyypillisesti perustunut nopeaan pois johtamiseen valunnan syntyalueelta. Tiivistyvän kaupunkirakenteen myötä hulevesien haitalliset vaikutukset ympäristöön on kuitenkin tunnistettu ja näiden vaikutusten ehkäisemiseksi on kehitetty uusia, huleveden laatua parantavia hallintamenetelmiä. Veden luonnollista kiertokulkua jäljitteleviin hallintaratkaisuihin viitataan maailmalla hieman sijainnista riippuen joko termeillä LID (Low Impact Development), WSUD (Water Sensitive Urban Design) tai SUDS (Sustainable Urban Design Systems).

Tässä työssä selvitetään erään LID-menetelmän, biosuodatuksen, soveltumista tiealueen hulevesien käsittelymenetelmäksi Suomen ilmasto-olosuhteissa. Tavoitteena on tunnistaa suodatusalueiden suunnitteluun liittyviä keskeisiä seikkoja ja suosituksia biosuodatusalueiden sijoittamiseen kaupunkiympäristössä. Tämän lisäksi tavoitteena on suunnitella Vantaalle biosuodatusalue, jolla tullaan käsittelemään suunnitteilla olevan liikenneympyrän ja sen ympäristön hulevedet. Biosuodatusalueet toimivat myös hulevettä viivyttävinä rakenteina, mutta tässä työssä keskitytään erityisesti huleveden laatuun ja sen parantamiseen.

Työ jakaantuu kirjallisuusosioon ja varsinaiseen suunnittelutyöhön. Kirjallisuusosio keskittyy ympäri maailman tehtyihin tutkimuksiin ja niiden tuloksiin biosuodatusalueiden rakenteesta ja toiminnasta. Työssä tunnistettiin keskeiset parametrit biosuodatusalueen suunnittelussa sekä kaupunkiympäristön kohteet, joiden hulevesien käsittelyyn biosuodatus soveltuu parhaiten. Vantaan biosuodatusalueelle määriteltiin mahdollisimman optimaalinen rakenne-ehdotus. Suunnittelutyön ohella arvioitiin biosuodatusalueelle vaadittava puhdistusteho vertaamalla kirjallisuudessa esitettyjä huleveden laatuparametreja Tukholmassa määriteltyihin raja-arvoihin.

Vantaan biosuodatusalueen suunnittelussa hyödynnettiin SWMM:ia (Storm Water Management Model). Suunnittelualueen valuma-alue mallinnettiin ja alueella syntyvä hulevesien valunta määritettiin käytettävissä olevien sadantatietojen perusteella. Mallinnuksen tuloksena biosuodatusalueelle määriteltiin tarvittava koko ja rakenne vertailemalla erilaisia rakenneratkaisuja.

Biosuodatus perustuu pääasiassa huleveden suodattumiseen rakennekerrosten läpi. Kirjallisuuden perusteella biosuodatuksella pystytään poistamaan hulevedestä tehokkaasti metalleja ja kiintoainesta. Sen sijaan ravinteiden osalta puhdistustulokset ovat vaihtelevampia ja jopa ravinteiden huuhtoutumista on havaittu erityisesti vastarakennetuilta, ravinteikkaan kasvualustan sisältäviltä biosuodatusalueilta. Hyvän puhdistustehon saavuttamiseksi ja ylläpitämiseksi rakenteen huolellinen suunnittelu ja ylläpito on todettu tärkeäksi.