Land-use based stormwater pollutant load estimation and monitoring system design: Case of Lahti city, Finland

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Author
Järveläinen, Jarmo
Date
2014-04-14
Department
Major/Subject
Ympäristötekniikka
Mcode
IA3003
Degree programme
Ympäristötekniikan DI-ohjelma
Language
en
Pages
88 + 13
Series
Abstract
Many Finnish cities including Lahti have drafted stormwater strategies aimed at reducing the negative impacts caused by stormwater discharges. To effectively implement such strategies, however, it is necessary to have a reliable assessment of the amount, quality and spatial disposition of the stormwater being formed in the city area. In this thesis the annual stormwater pollutant export from the Lahti city area was estimated based on local land use- and stormwater monitoring data. Additionally, basic variables for designing a stormwater monitoring program for the Lahti city area were determined based on these estimates. Both the quality and quantity of stormwater being generated in the city area was estimated: the quantity based on a land use- and imperviousness analysis and the quality based on an analysis of existing stormwater data collected in Lahti (2008-2010) and Espoo (2001-2006). Pollutant loads were estimated for each land use class and each pollutant using a volume-concentration model. Variables needed for a stormwater monitoring system covering 80% of the total estimated pollutant export from the study area were determined based on the properties of the analyzed stormwater data, marginal benefit analyses and a numerical ranking system, based on projected total pollutant generation by land use type. Average flow-weighted mean pollutant concentrations (site mean concentrations or SMCs) were determined based on the stormwater data and used to assess the quality of stormwater forming in the city area. SMCs were determined for suspended solids, nutrients (tot-P and tot-N), chemical oxygen depletion and the most common metals (Pb, Zn, Cu, Cr, Ni). A nonlinear relationship was noted between study catchment imperviousness and SMCs for both suspended solids and total nitrogen. The total annual stormwater runoff from the Lahti city area was estimated to be approximately 13 million m3. Different land use classes contributed varying amounts of different pollutants. Uncertainty estimates in total pollutant load estimations ranged from approximately 11% to 26%, respectively, for suspended solids and lead. Most SMCs based on stormwater studies conducted in the 1970s were found to be too high to accurately characterize current stormwater quality. Based on the results of the marginal benefit analyses the monitoring effort should be focused primarily on industrial areas, roads, green areas and commercial/public areas. The methods used in the study can be applied for estimating stormwater loads in other cities as well, for example when planning land use issues and monitoring efforts. The SMC values determined for different land use classes can be used for stormwater pollutant export assessment if local data on stormwater quality is unavailable. In order to provide reliable results the volume-concentration model used in the study requires inputs that accurately characterize local conditions. Up-to-date information on the quality of stormwater runoff from industrial, transportation and urban green land use areas would increase the accuracy of pollutant load estimations.

Monet suomalaiset kaupungit ovat Lahden tavoin laatineet hulevesistrategioita, joiden avulla ne pyrkivät vähentämään hulevesistä aiheutuvia haittoja. Strategioiden toteuttaminen käytännössä edellyttää tarkkaa tietoa kaupunkien alueella muodostuvien hulevesien määrästä, laadusta sekä alueellisesta jakautumisesta. Työssä arvioitiin Lahden kaupunkialueen hulevesikuormitusta olemassaolevien paikkatieto- ja hulevesiaineistojen pohjalta sekä määritettiin näiden arvioiden pohjalta perusmuuttujat hulevesien tarkkailun järjestämiseksi Lahden kaupungin alueelle. Hulevesikuormituksen määrittämiseksi arvioitiin koko kaupunkialueella muodostuvien hulevesien määrä ja laatu: määrä maankäyttöanalyysin ja läpäisevyysanalyysin avulla ja laatu olemassaolevan tutkimusaineiston analyysin pohjalta. Kuormitus arvioitiin maankäyttöluokittain kaikille analysoiduille haitta-aineille tilavuus-pitoisuusmallia käyttäen. Tarkkailujärjestelmän (kattavuus 80% arvioiduista kokonaiskuormituksista) parametrien määrittämisessä käytettiin margiaalihyötyanalyyseja sekä Lahdessa (2008-2010) ja Espoossa (2001-2006) kerättyjen hulevesiaineistojen analyysin tuloksia. Samoja hulevesiaineistoja käytettiin myös hulevesien haitta-ainepitoisuuksien arviointiin. Aineistoista määritettiin eri maankäyttöluokkia vastaavat tapahtumakohtaiset valunnalla painotetut keskiarvot (ns. SMC, site mean concentration-arvot) kiintoaineelle, ravinteille (kok-P ja kok-N), kemialliselle hapenkulutukselle sekä yleisimmille metalleille (Pb, Zn, Cu, Cr, Ni). Analyysissä havaittiin epälineaarinen yhteys tutkittujen valuma-alueiden vettä läpäisemättömän pinnan määrän ja haitta-ainepitoisuuksien välillä sekä kiintoaineen että kokonaistypen osalta. Yhteensä hulevesiä arvioitiin muodostuvan kaupunkialueella noin 13 milj. m3 vuodessa. Eri haitta-aineiden kuormituksissa korostuivat eri maankäyttöluokat. Eri haitta-aineiden arvioitujen kuormitusten epävarmuudet vaihtelivat välillä 11% (kiintoaine) ja 26% (lyijy). Kirjallisuudessa esitetyt, 1970-luvulla tehtyihin mittauksiin perustuvat SMC-arvot havaittiin useimpien haitta-aineiden osalta korkeammiksi kuin nykyisissä tutkimuksissa mitatut vastaavat. Tarkkailutoimenpiteet kannattaa marginaalihyötyanalyysin pohjalta keskittää ensisijaisesti teollisuusalueille, teille, viheralueille sekä kaupallisten/julkisten palvelujen alueille. Työssä sovelletut menetelmät sopivat myös muiden kaupunkien hulevesikuormitusten arviointiin esimerkiksi maankäytön ja seurannan suunnittelun tukena. Määritettyjä maankäyttöluokkia vastaavia SMC-arvoja voidaan käyttää kuormitusarvioinnissa paikallisen hulevesiaineiston puuttuessa. Käytetty tilavuus-pitoisuusmalli antaa luotettavia tuloksia vain jos käytetyt syötteet ovat edustavia. Ajantasainen tieto etenkin teollisuus- ja tiealueiden sekä urbaanien viheralueiden hulevesien keskimääräisistä haitta-ainepitoisuuksista mahdollistaisi tarkempien kuormitusarvioiden tekemisen.
Description
Supervisor
Koivusalo, Harri
Thesis advisor
Sillanpää, Nora
Keywords
stormwater, land use, pollutant export, uncertainty, sampling count, hulevesi, maankäyttö, kuormitus, epävarmuus, näytemäärä
Other note
Citation