Villkor vid regnstart–effekter av föregående infiltration

Avrinning från permeabla ytor i en i huvudsak impermeabel omgivning nonchaleras ofta. Vid stora regn (lång återkomsttid) kan dock bidragen bli märkbara och kunskap om föregående markvatteninnehåll är intressant.

Av: Jörgen Hanaeus

Infiltration är en viktig process vid bestämning av avrinning och föreliggande artikel tar fasta på initiala förhållanden vid större regnhändelser i urbana områden med permeabla delytor.

Historiska regnadata från Köpenhamn; 71 regnhändelser med återkomsttid större än ett halvår baserat på maximal intensitet under 1 timme, har använts för att bedöma värdet av föregående regnhändelsers påverkan på infiltrationen. Schablonvärden för leriga och sandiga jordar har använts.

För ett typiskt stort regn ledde föregående periods villkor i regel till reducerad infiltrationskapacitet för såväl leriga som sandiga jordar. Det ger ett substantiellt avrinningsbidrag vid stora regn, med återkomsttider 1-10 år 

Bakgrund

Urbana områden domineras av impermeabla ytor som ger en stor och snabb avrinning. Med tiden har intresset ökat för att skapa flera grönytor som en strategi för att dämpa avrinningen.

Regn som landar på permeabla ytor kan infiltrera, men vid tät, t ex kompakterad jord eller fyllda markvattenmagasin kan detta regn medverka i en snabb avrinning och vid stora regn ge avrinningsmängder som inte är försumbara. Underskattning är inte ovanlig.

Metod

Det historiska materialet bearbetades via följande frågor.

1)    ackumulerad regnmängd före ett antal stora regnhändelser

2)    infiltrationsförhållandena i början av sådana regn baserat på kontinuerlig simulering av processen regnfall-infiltration-avrinning med hjälp av Horton’s ansats.

Material

Historiska regnhändelser från Klövermarksvei i Köpenhamn har bearbetats. regndata fanns från 1979-2012 med 1 minuts upplösning. 71 regn med återkomsttid större än 0,5 år, baserat på 1-timmes regnmaximum, har medtagits i analysen (de 10 största ges i tabell, liksom uppsättning modellekvationer). Fyra fall beaktades: Torra förhållanden, vattenmättade dito, transitionsperioder, då volymen fylls på eller töms, samt då nederbörden är mindre än infiltrationskapaciteten.

Fyra slags jordar ingick i beräkningarna: Lera – topsoil samt kompakterad. Sand – normal samt kompakterad. För vätning antogs 0,05 mm och i lagring 1 mm. Torktider: 2-3 dygn för sand och 10 dygn för lera.

Avrinningens känslighet gentemot initialvillkoren undersöktes via ansats av antingen maximal eller minimal infiltrationskapacitet.

Resultat

Procentandelen regntillfällen där ackumulerad nederbörd före regnet är lägre än ett givet tröskelvärde gavs för fyra olika varaktigheter före regnet ifråga: 12h, 24h, 7 d och 30 d samt för tre olika återkomstklasser: 0,5-1 år, 1-10 år och >10 år.

Här visade sig att föregående period inte signifikant hade koppling till återkomsttiden för ett givet regn.

För lerjordarna var den relativa infiltrationskapaciteten vid regnstart lägre än 50 % för ungefär hälften av de undersökta regntillfällena. För de sandiga jordarna var den 70 % lägre vid 25 % av tillfällena. Det betyder att ett antagande om full infiltrationskapacitet vid start av ett stort regn kan vara fel.

Den totala avrinningen från permeabla ytor för det studerade regntillfället föreföll variera som funktion av återkomsttiden, oberoende av den totala regnmängden vid tillfället. De sandiga jordarna gav ingen avrinning för återkomsttider under 10 år. De leriga jordarna börjar ge avrinning för regn med återkomsttider mindre än 1 år, men med mycket små flöden.

Slutsatser

Permeabla ytor i urban miljö kan ge signifikanta avrinningsbidrag vid regn med återkomsttider mellan 5 och 10 år och bör därför inkluderas i avrinningsmodeller; t ex vid simulering av klimatförändringar.

Köpenhamnsdata visar att de 40 största regnen under 33 år har haft stor variation i initial infiltrationskapacitet och denna har varit begränsad för såväl leriga som sandiga jordar.

Variationen har givit ändringar i total avrinning för leriga jordar av uppemot 6 mm vid låga återkomsttider trots att infiltrationskapaciteten för dessa jordar allmänt är låg.

Källa: Davidsen,S.¹⁾, Löwe, R.¹⁾, Ravn, N.H.²⁾, Jensen, L.N.²⁾ & Arnbjerg-Nielsen, K.¹⁾ (2017): Initial conditions of urban permeable surfaces in rainfall-runoff models using Horton’s infiltration. Water Science & Technology, 77.3, pp 662-669.

 Hela artikeln i Water Science & Technology går att köpa här.

Författarna från: 

1)    Department of Environmental Engineering, Technical University of Denmark, Bygningstorvet, Bygning 115, 2800 Kgs. Lyngby, Denmark.

2)     LNH-Water, Kathöjvei 3, 3080 Tiköb, Denmark.

Kontakt:  stda@env.dtu.dk