Stormwater management in traffic areas with roadside filter structures

Diplomityön tavoitteena oli selvittää hulevesien suodatusrakenteen toimivuutta haitta-aineiden pidättymisen ja huleveden määrällisen hallinnan näkökulmasta. Tutkimuksen kohteena olivat Vantaalla sijaitsevat ajotien ja kevyeen liikenteen väylän väliin rakennetut suodattimet, jotka ovat osaksi istutuksilla maisemoidut ja omaavat hiekka- ja multakerrokset. Suodattimiin kadun pinnalta päätyvästä hulevedestä sekä salaojan vedestä kerättiin näytteitä kolmen sadetapahtuman osalta syksyllä 2016. Tutkimuksessa hyödynnettiin myös ajallisessa vertailussa aiemman tutkimuksen näytteitä, jotka oli kerätty viiden sadetapahtuman aikana suodattimien rakentamisen jälkeisenä ensimmäisenä vuotena 2013-2014. Suodatusrakenteen vesitaseen komponenttien osuuksia pitkällä aikavälillä eri suodattimen suhteellisilla pinta-aloilla ja pohjakerroksilla selvitettiin sadanta-valuntamallilla (Stormwater Management Model, SWMM), jossa lähtötietona oli usean vuoden Etelä-Suomessa mitattu sadanta-aikasarja. Hydrologisten mallinnusten lisäksi tehtiin kuudelle merkittävimmälle haitta-aineelle (Zn, Cu, P, N, TSS ja Cl) pitkän aikavälin massataselaskelmat, joissa hyödynnettiin katualueen näytteistä mitattujen haitta-ainepitoisuuksien perusteella määritettyjä lognormaalitodennäköisyysjakaumia. Massataselaskelmilla mallinnettiin suuret joukot satunnaisia haitta-ainepitoisuuksia, jotka edustavat suodatti-mista poistuvia pitoisuuksia tilanteessa, jossa suodatin ei poista tai lisää haitta-aineita. Mallinnettuja sekä 2013-2016 mitattuja suodattimesta poistuvia pitoisuuksia vertailtiin todennäköisyyskuvaajassa ajallisen muutoksen ja suodattimien pidätyskyvyn tunnistamiseksi. Näytetulosten ja mallinnusten perusteella Tikkurilantien suodattimet vaikuttavat pidättävän katualueella syntyvän huleveden metalleja tehokkaasti. Suodattimesta on rakentamisen jälkeisenä ensimmäisenä vuotena mitattu pitoisuuksia, jotka viittaavat typen huuhtoutumiseen suodattimista. Tilanne on parantunut kahdessa vuodessa, ja typpi näyttää vuoden 2016 näytteissä pidättyvän suodattimiin. Fosforin ja kiintoaineen kohdalla pidättyminen oli vaihtelevaa koko tarkasteluajalla, kuitenkin siten että yli 80 % alitti suositeltujen pitoisuuksien raja-arvon. Odotetusti maantiesuolasta liukeneva kloridi ei näytä pidättyvän suodattimiin ja suodattimien maa-aineksesta liukenee kloridia poistuvan veden mukaan.The objective of this thesis was to investigate the functionality of stormwater filtering structures from the point of view of the quantitative management of stormwater and retention of pollutants. The partly landscaped sand and loam-layered filters between road and light traffic sidewalk were situated in Tikkurilantie, Vantaa, Finland. Water quality samples were collected from three rainfall events in autumn 2016 both for influent stormwater from road surface and effluent drainage water. Samples collected in the first year after construction of the filters in 2013-2014 from a previous study were also used for time comparison. The long-term water balance of a filter was modeled with Stormwater Management Model (SWMM) with five and a half-year period of rainfall measurements recorded in southern Finland as input. Based on water balance, long-term mass balance calculations of six most significant pollutants (Zn, Cu, P, N, TSS and Cl) were carried out sampling lognormal-distributions determined from pollutant concentrations measured in samples of the street area. Large random sets of effluent concentrations were produced to represent a situation where the filter does not remove or add the pollutants. The modeled and filtered concentrations measured in 2013-2016 were compared in probability plots in order to identify retention of pollutants and possible change over time. Based on sample results and modeling, the Tikkurilantie filters seemed to capture influent metals of interest efficiently. Effluent nitrogen concentrations measured during the first year after construction indicate leakage when compared to modeled effluent concentrations of zero removal. The situation has improved in two years, indicating that nitrogen is efficiently removed. With respect to phosphorus and total suspended solids, the retention varied throughout the study period, however, with over 80% falling below the recommended guidelines for both variables. As expected, chloride from deicing salts does not appear to be removed by the filters and soil of the filters are presumably sources of dissolved chloride