Sateen kaari – Hulevesien suodatusratkaisun virtaustekninen testaus ja soveltaminen Taivallahden ranta-alueiden yleissuunnitelmassa
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Arts, Design and Architecture |
Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Location:
Authors
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Landscape Architecture
Language
fi
Pages
92 + 1
Series
Abstract
Tämän diplomityön alkuosan kirjallisuuskatsaus käsittelee kaupunkien hulevesien hallinnan haasteita, mutta myös mahdollisuuksia, joita puhtaammat kaupunkivedet ja ranta-alueet tarjoavat. Katsauksen perusteella kaupunkien liikennealueiden hulevedet sisältävät useita haitta-aineita ja laadullisen hallinnan parantamiseksi on vaadittu konkreettisia toimia. Kokonaisvaltainen lähestymistapa ja kaupunkikuvallisten seikkojen huomioiminen on nähty myös tärkeäksi. Ahtaaseen kaupunkitilaan soveltuvia ratkaisuja tarvitaan lisää ja tässä työssä kehitetty uusi suodatuskonsepti vastaa tähän tarpeeseen. Työn kokeellisessa osassa prototyypillä tehdyt virtaustestit todistavat, että uuden suodatusratkaisun perushydrauliikka ehkäisee tukkeutumista ja virtaamaprofiili mukailee sadetapahtuman laatua sekä määrää: sadetapahtuman alku- ja keskivaiheen virtaamilla on pidempi suotomatka ja hitaampi virtausnopeus kuin huippuvirtaamilla. Täten sadetapahtuman likaisin ensihuuhtouma ja kokonaisvirtausmäärältään suurin perusvirtaama saadaan puhdistettua tehokkaasti. Sadetapahtuman huippuvirtaamilla suurempi virtausnopeus on tärkeää, jonka laitteen hydrauliikka myös mahdollistaa. Prototyyppi oli kooltaan 1,0 x 1,0 x 2,4 m. Karkeasuodattimen materiaalina käytettiin kevytsoraa ja hienosuodattimessa suodatushiekka. Staattisen virtaaman testeissä huippuvirtaamaksi mitattiin 9 m3/h. Tehdyn sadesimulaation perusteella prototyypin dimensioita vastaava suodatusarkku pystyy suodattamaan kooltaan 240m2 läpäisemättömän valuma-alueen 60 minuutin mitoitussateen, jossa huippuvirtaama on 30 minuutin kohdalla 10 m3/h ja kertymä 17,9 mm. Käytetyn mitoitussateen toistuvuus oli noin 3 vuotta. Testeistä saadun purkautumiskäyrän avulla suodatusratkaisu voidaan skaalata dynaamisesti eri kohteisiin yleissuunnitelmatasoisesti ja tukkeuma huomioiden. Purkautumiskäyrää hyödynnettiin soveltavan osan hulevesimallinnuksessa, jonka tuloksena saatiin mitoitettua Helsingin Taivallahdessa sijaitsevan kohdealueen hulevesien käsittelyyn vaadittavat rakenteet. Tehty mikromuovien suodatustesti osoittaa, että suodattimella on mahdollista puhdistaa kooltaan 5 - 0,1 mm mikromuoveja vedestä. Suurempien kuin 1 mm partikkeleiden osalta reduktio oli 100%. Kooltaan 1 - 0,3 mm partikkeleista vain 0,1 ‰ ja 0,3 - 0,1 mm 1,7 ‰ läpäisi suodattimen. Lisäksi tehtiin kolonnitesti, jonka mukaan hiekka ja kevytsora on mahdollista vaihtaa biopohjaisiin materiaaleihin vaikuttamatta painehäviöön. Diplomityön päättää soveltavan osan yleissuunnitelma, jonka tavoitteena oli maisema-arkkitehtuurin ja vesitekniikan synteesi. Taivallahden sovelluskohde sijoittuu merkittävään maisemalliseen solmukohtaan ja vesiaktiviteettien keskittymään. Paikka soveltui täten hyvin hulevesien hallinnan ja vesiaiheiden näyttämöksi, koska puhtaampi vesi tukee alueen toimintoja ja kaupunkikuvaa. Suodatuskonseptilla on luotu ranta-alueelle tiloja, jotka kutsuvat kaupunkilaisia veden äärelle. Uusi suodatuskonsepti ja Helsingin Taivallahden yleissuunnitelma osoittavat, että hulevesirakenteiden integrointi muihin ranta-rakenteisiin vähentää tilantarvetta ja voi tuoda alueelle lisäarvoa.This master’s thesis starts with a review to present -and future challenges of urban area stormwater management. According to the review, surface runoff from an urban traffic area is a substantial pathway for many pollutants and siltation materials causing negative impacts in a receiving waterbody. On the other hand, the review discloses that stormwater structures have architectural potential and the cleaned stormwater can be a resource in the urban areas. There is a need for reliable stormwater management systems suitable for limited urban space. This thesis introduces a novel solution for stormwater filtration which responses in these particular needs. The performance of the developed stormwater filtration solution was tested in a laboratory with a prototype. The results show that the hydraulic properties of the unit respond well to the qualitative and quantitative requirements of a rain event. More specifically, in comparison with the peak flow, first flush and base flow have long retention time, many flow channels and low velocity, which makes the filtration more effective. Consequently, the most polluted first flush and gross of the total volume are purified effectively during horizontal flow. On the other hand, when the peak flow occurs, hydraulic design of the unit allows maximum velocity because of the higher hydraulic head and the vertical flow direction. In addition, the design prevents clogging. The size of the prototype was 1.0 x 1.0 x 2.4 m. Coarse filter media was expanded clay aggregate and fine filter was sand. According to a static pressure flow-test, the maximum static flow rate of the unit is 9 m3/h. Rain simulation tests show that the filtration unit’s maximum dynamic capacity is reached when the impervious catchment area size is 240 m2 and the storm event length is 1 hour and precipitation 17.9 mm. The design storm probability of exceedance is ~3 years. A rating curve of the unit was calculated based on the rain simulation results. It can be used in a further hydraulic and hydrological modelling. In this thesis, the rating curve was used in a design project to place the filtration unit in Taivallahti, Helsinki. In a hydrological/hydraulic model of the project, the rating curve represented the filtration unit, which enabled dimensioning of a detention basin and filter length. To find out the filtration efficiency of the solution, a microplastic filtration experiment was conducted. The test showed high retention rate of 5 - 0,1 mm size microplastics. Another small-scale column test was made to introduce how mineral-based filtermedia can be replaced into the bio-based filtermedia without changing the flow rate of the unit. According to the column test, filter sand and expanded clay can be replaced with wood chips and biochar. Finally, the result of the research and tests were applied in a Taivallahti waterfront masterplan that introduces synthesis of water engineering and landscape architecture. The Taivallahti design perimeter is a hot-spot of the different water related activities and it locates in an important node of the Helsinki downtown blue-green network. Thus, it is a right place to roll out a water sensitive master plan, which uplifts the urban storm water structures and features in a key role. The Stormwater filtration unit purifies water and creates spaces inviting citizens to interact with the water. This Master’s thesis demonstrates that stormwater management systems can be integrated with urban waterfront structures and has potential to create added value.Description
Supervisor
Sinkkilä, JyrkiThesis advisor
Sorvari, OlliKeywords
hulevesi, laadullinen hallinta, kaupunkivedet, integrointi, suodatus, virtaustekniikka, ranta-alueiden suunnittelu