Enviromental assessment of rainwater harvesting strategies in urban areas from a life cycle perspective

En el context de la transició cap a la sostenibilitat urbana un dels majors reptes que encaren les societats modernes és l'aprovisionament d'aigua, un recurs que és reconegut cada vegada més com a valuós mentre la quantitat i qualitat disponibles en disminueixen. La creixent evidència d'escassetat d'aigua a nivell mundial promou la necessitat de treballar en possibles sinèrgies entre les diferents fonts d'aigua existents i a diferents escales per tal de desenvolupar una xarxa més integrada, eficient i equitativa. Aquesta tesi es centra en l'aprofitament de l'aigua de pluja com a recurs endogen local amb el potencial per aconseguir un metabolisme més circular capaç de tancar els fluxos d'aigua i de complir amb els objectius d'autosuficiència hídrica en entorns urbans. Aquesta estratègia pot ajudar a reduir les infraestructures de captació i tractament necessàries per l'aigua potable, així com les de gestió i tractament d'aigües residuals, a la vegada que permet un major control del d'avingudes i inundacions en entorns urbans. No obstant actualment hi ha una manca de coneixement al voltant de quina és l'estratègia més adequada per a recollir aigües pluvials aplicable a cada escala urbana per una banda, i per l'altra la quantitat i qualitat del l'aigua d'escolament tampoc ha estat abordada en detall sota les condicions climàtiques i ambientals pròpies de les zones Mediterrànies (més concretament a Espanya). L'objectiu d'aquesta tesi és donar resposta a aquestes preguntes mitjançant el plantejament, l'avaluació i la validació del potencial i les avantatges de l'aprofitament d'aigües pluvials amb el menor impacte possible per tal d'assolir una millora en el cicle urbà de l'aigua en regions Mediterrànies. Per tal d'avaluar l'ecoeficiència de diverses estratègies de captació d'aigües pluvials en barris de nova construcció i determinar així l'estratègia òptima ambientalment, la infraestructures necessàries per la recollida, emmagatzematge i subministrament han estat dissenyades i avaluades des de la perspectiva de l'Anàlisi de Cicle de Vida (ACV). A més, diverses variables que afecten directament aquests sistemes han estat seleccionades i avaluades convenientment; entre elles s'inclou el model de densitat urbana, l'escala d'estudi , la ubicació del tanc dins de l'edifici, l'alçada d'aquest i per últim l'estratègia de subministrament d'aigua. Els resultats determinen l'impacte ambiental de cada escenari al llarg del cicle de vida de les infraestructures i indiquen l'opció ambientalment òptima per la recollida d'aigües pluvials a diferents escales. L'avaluació de la quantitat i qualitat potencial de d'aquest recurs en un entorn urbà s'ha desenvolupat per mitjà d'un estudi de cas experimental. Per a dur-lo a terme, set superfícies de captació diferents van ser seleccionats dins del campus de la UAB per cadascuna de les quals va ser adaptada una instal·lació de recollida i emmagatzematge de pluvials al llarg d'un període de 22 mesos de campanya experimental . La selecció de les diferents superfícies de captació es va realitzar d'acord amb dos criteris : el material de la superfície i el seu tipus d'ús . L'avaluació de la quantitat consistir en el càlcul dels models de regressió d'escolament - precipitació , l'estimació de la coeficient d'escolament (RC) global i l'abstracció inicial, mentre que les avaluacions de qualitat comprenen una varietat significativa dels paràmetres fisicoquímics i microbiològics. Els resultats van ser analitzats des d'un enfocament estadístic per validar la seva significança i correlació. Els criteris ambientals resultants d'aquesta tesi estan pensats per ajudar a definir les estratègies òptimes i determinar els usos de l'aigua de pluja amb els que millor s'aconsegueix la transició cap a la sostenibilitat de les zones urbanes, així com el redisseny més ecoeficient de les xarxes d'aigua urbana en el context del canvi climàtic. Aquests resultats poden servir d'orientació en la planificació i disseny urbà mitjançant la integració de criteris ambientals en els processos de presa de decisions.In the context of transition towards urban sustainability one of the major challenges facing modern societies is the provision of water, a resource that is increasingly recognized as a valuable resource while the quantity and quality available is decreasing. The growing evidence of water scarcity worldwide enhance the need to work on synergies among the different existing water sources and urban scales in order to develop more integrated, efficient and equitable water networks. In this sense, this dissertation focuses on the use of rainwater as a local endogenous resources to achieve a more circular metabolism able to close water flows and capable of accomplish urban water self-sufficiency. This can help to reduce the collection and treatment infrastructure needs for drinking water as well as the management and treatment of wastewater while having a greater control of floods in urban environments. However, there is still a lack of knowledge on which is the most adequate rainwater harvesting (RWH) strategy for each urban scale on one hand, while on the other the quantity and quality of runoff has yet not been addressed under the local climatic and environmental conditions of Mediterranean areas (more specifically in Spain). The aim of this research was to answer this question by investigating, evaluating and validating the potential and advantages of using rainwater to achieve, with the lower impact possible, the improvement of the water cycle in urban areas located within the Mediterranean climate. In order to evaluate the eco-efficiency of several RWH strategies for newly built neighbourhoods and to determine the environmentally optimum strategy, the necessary rainwater collection, storage and distribution infrastructures were designed and then environmentally assessed through a Life Cycle Assessment (LCA) approach. In addition, several variables that directly affect RWH infrastructures were selected and conveniently assessed; these include the urban density model, the building scale, the tank location within the building, the building height and at last the water supplying strategy. The results evaluate the environmental performance of each scenario and indicate the most environmentally friendly option for rainwater harvesting at different scales. The assessment of the potential RWH quantity and quality in an urban environment was developed by means of an experimental case study. To develop it, seven different catchment surfaces were selected within the UAB campus for which an experimental RWH installation was adapted and run over a period of 22 months of experimental campaign. The selection of catchment areas was done according to two criteria: surface material and type of use of the surface. The quantity assessment consisted of the calculation of the runoff -rainfall regression models, the estimation of the global RC and of the initial abstraction, while quality assessments comprised a significant variety of physicochemical and microbiological parameters. From a statistical approach all results were tested for significance and correlated. The resulting environmental criteria are thought so to define the optimal strategies and uses of rainwater that best leads towards the sustainability of urban areas as well as the most eco-efficient redesign of urban water grids in the context of climate change. These results may provide useful guidance in urban planning and design by integrating environmental criteria into the decision-making processes