Infiltration av nederbörd i kallt klimat kräver kunskap om hydraulik i mark vid låga temperaturer. I Innsbruck har försök gjorts med laboratorieförsök vid olika temperaturer och parallella mätningar i ett gräsbevuxet infiltrationsdike vid en parkeringsyta. Funktionen var god.
Av: Jörgen Hanaeus
Dagvatteninfiltration har speciella förutsättningar i kallt klimat såsom frusen jord och lagrat vatten i form av snö. Här har laboratoriestudier av jord av låg temperatur utförts. Även fältstudier av ett gräsklätt infiltrationsdike vid en parkeringsyta genomfördes. Dessa visade att dikets hydrauliska funktion upprätthölls vintertid. Även om ytlagret var fruset någon period var lagringsförmågan tillräcklig för att hantera nederbörd tills uppvärmning inträffade. Jordlagren dämpade kylan och 20 cm under markytan var jorden frusen endast en vecka. Snöröjningen skapade en hög på parkeringsytan och när den smälte landade partiklar på ytan och försämrade permeabiliteten lokalt.
Bakgrund
Lokal infiltration av dagvatten från hårdgjorda ytor, t ex trafikytor, är ett vanligt sätt att bromsa avrinningsförloppet. Erfarenheter har visat att permeabiliteten är begränsad i kallt klimat vintertid. Avrinningen påverkas av isytor och is i markens porer och snösmältningsavrinningen kan vara avsevärd. En undersökning visade att ju längre föregående torrperiod varit desto mindre nedsättning av permeabiliteten erhölls. Vatteninnehållet före frysning är troligen den viktigaste faktorn att bestämma infiltrationen i frusen mark.
Infiltrationsytor dimensioneras ofta efter regnintensitet och varaktighet från statistiska data. Vintertid är villkoren annorlunda i kallt klimat. Undersökningar behövs för att säkerställa dimensionering och drift här. I denna studie genomfördes fältmätningar i ett gräsbevuxet dike i Tyrolen. Som komplement bedrevs laboratoriestudier av infiltration med jord från diket i försökskolonner.
Försök
Det undersökta diket täckte ungefär 180 m2 (snittbredd 2m) och avvattnade 1600 m2 belagd lågtrafikerad yta med 61 P-platser och två gångar. Det har varit i drift ca 5 år. En mindre del av ytan fungerade som upplag för röjd snö vintertid. Endast hydrauliska aspekter beaktades och givare för markfukt och temperatur installerades; på nivån 10,20 och 30 cm under markytan. Mätningarna pågick en vintersäsong.
Tre dubbelrings infiltrometrar användes i diket. Yttre cylinderdiameter var 56 cm och innerdiametern var 28,5 cm. För att minimera horisontell infiltration fylldes mellanrummet med vatten. Sedan inre ringen fyllts med vatten startade försöken och vattennivån mättes regelbundet tills infiltrationshastigheten var konstant.
Laboratoriestudierna utfördes i klimatrum. Jordprover togs direkt från det aktuella diket som enligt österrikisk standard var försett med ett 30 cm filterlager. Skrymdensiteten undersöktes i ett ostört prov och siktanalyser genomfördes. Grusfraktionen sorterades bort. Vattenhalt bestämdes, liksom innehållet av organiskt material. Cylindriska kolonner med dubbla transparenta väggar fylldes med aktuellt jordprov, höjd 30 cm, och bl a genom iskuber i mellanrummet mellan väggarna gavs jorden temperaturerna -5 °C, 0°C, +5°C och +20°C. Fukthalten varierades kring 10 %. Bottenplattan hade radiella öppningar för att ge vattnet möjlighet att rinna ut från hela ytan. Fler detaljer kring jordbehandlingen ges.
Den första infiltrationen genomfördes vid +20 °C för att trimma utrustningen och få ett referensvärde för den hydrauliska konduktiviteten. Sex liter kranvatten användes och påfylldes så att 5 cm nivå ovan jordytan hölls. Utflödet registrerades tätt.
Resultat
Siktanalysen visade att andelen partiklar <2 mm var ca 60 % och jorden var sandig. Sedan jorden torkats för analysändamål återfuktades den, En svagt minskande fuktupptagsförmåga och ändrad storleksfördelning noterades genom repetitionerna.
Den hydrauliska konduktiviteten i infiltrometrarna mättes till mellan 6,9 * 10-7 och 1,0 * 10-6 m/s (n=3). En mindre del av diket användes vintertid för röjd snö och den konduktivitet som mättes under denna efter dess tinande (svarta partiklar på ytan) var signifikant lägre än den som mättes före vintern.
72 tester utfördes i labkolonnerna och variation i resultaten erhölls pga heterogen jord. Transporttiden (visuell vattenfront) genom kolonnerna varierade med initiell fukthalt och jordtemperatur. Det kan förklaras av att frusen initiell fukt behövde smältas av infiltrerande vatten.
Försöksvintern höll endast 12 dygn med minusgrader hela dygnet. Det behövdes 7 dygn med lufttemperatur < 0°C för att ändra marktemperaturen på 10 cm nivån till minusgrader. Den lägsta temperaturen som noterades på 20 cm-nivån var 0°C (11 dygn).
Maximal jordfukthalt uppmätt var 45%. Det första regnet inträffade 18 januari och dess front nådde 10 cm-nivån; först klart senare 30 cm-nivån. Fukthalten blev därför högre i de övre lagren. Först med varmgrader i början av april sjönk fukthalten i hela profilen till 10-16%.
Slutsatser
Laboratorieexperimenten visade att transporttiden genom jorden berodde på jordens fukthalt och temperatur. Allmänt minskade transporttiden med ökad fukthalt. Dock inte vid jordtemperaturen -5 °C. Den hydrauliska konduktiviteten var högst vid 0°C vid de uppmätta initiella fukthalterna. Konduktiviteten var alltid > 10-6 m/s, vilket är tillräckligt enligt de nationella riktlinjerna. Iakttagelserna i fält visade inga problem under vinterperioden.
Studien, med några år på nacken, ger tips om behandling av jordprover vid infiltrationsstudier och kombinationen fält+labförsök är värdefull.
Källa: Fach, S., Engelhard, C., Wittke, N.& Rauch, W. (2011): Performance of infiltration swales with regard to operation in winter times in an Alpine region. Water Science & Technology, 63.11, pp 2658-2665.
Författarna från:
Unit of Environmental Engineering, institute of infrastructure, University of Innsbruck, Technikerstrasse 13, A-6020 Innsbruck, Austria
Kontakt: stefan.fach@uibk.ac.at
