Flood risk assessment of stormwater networks: Cade study of Haikanpuro and Korteoja catchments in Pirkkala

Abstract

Muodostuvien hulevesien määrä kasvaa alati jatkuvan kaupungistumisen seurauksena. Samaan aikaan ilmastonmuutoksen odotetaan lisäävän äärimmäisiä sääilmiöitä. Jotta tulevaisuuden urbaanit alueet pystyisivät hallitsemaan hulevetensä, suositellaan integroidun hulevesien hallinnan toimeenpanemista. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli määrittää maankäytön tiivistymisestä ja ilmastonmuutoksen oletetusta rankkasateita lisäävästä vaikutuksesta johtuvien hulevesivirtaamien ja hulevesiverkoston tulvariskien muutoksia valuma-aluelaajuudessa työssä kehitetyn hulevesiverkostomallin avulla. Lisäksi työn tavoitteena oli hyödyntää tuotettuja mallinnustuloksia arvioimaan integroidun hulevesien hallinnan periaatteiden toteuttamista tutkimusalueella. Työ toteutettiin tapaustutkimuksena Pirkkalassa sijaitseville Haikanpuron ja Korteojan valuma-alueille, joiden maankäytön odotetaan tiivistyvän tulevina vuosina uuden raitiotielinjan ympärillä. Tutkimusta varten valuma-alueista rakennettiin SWMM-pohjainen hulevesiverkostomalli Fluidit Storm -ohjelmistolla. Mallilla tarkasteltiin valuma-alueilla muodostuvien hulevesivirtaamien sekä verkoston tulvimisriskin muutosta. Mallinnettujen sadetapahtumien toistuvuus oli kerran viidessä tai kerran sadassa vuodessa. Ilmastonmuutoksen oletettuja vaikutuksia tarkasteltiin lisäämällä kerran sadassa vuodessa toistuviin sateisiin neljä ilmastonmuutoskerrointa (20, 30, 40 ja 50%). Lisäksi tarkasteltiin uusille alueille mahdollisesti asetettavien hulevesien viivytysmääräysten vaikutusta tulevan maankäytön hulevesivirtaamien muodostumiseen ja pohdittiin kunnan lähtökohtia integroidun hulevesien hallinnan toteuttamiseen. Nykyisen ja tulevan skenaarion välillä vertaillut hulevesien kokonaisvirtaamat purkupisteissä, verkoston ylivuodot ja kapasiteettiylitykset kasvoivat erityisesti kerran viidessä vuodessa toistuvilla sadetapahtumilla. Kokonaisvirtaamien, verkoston ylivuotojen ja kapasiteettiylitysten kasvua havaittiin myös suhteellisesti pienemmässä mittakaavassa kerran sadassa vuodessa toistuvilla sadetapahtumilla. Purkupisteiden maksimivirtaamien ei havaittu kasvavan kaikissa mallinnetuissa skenaarioissa maankäytön lisääntyessä, ja jopa 6 tuntia kestäneet sateet johtivat maksimivirtaamien pienenemiseen nykyisen ja tulevan skenaarion välillä. Testattu tyypillinen 1 m³ viivytystilavuutta per 100 m²:n läpäisemätöntä pintaa -viivytysvaatimus uusilla rakennusalueilla ei riittänyt pidättämään hulevesien virtausmääriä nykytasolla tutkituissa uomissa edes nykyisillä sadeintensiteeteillä. Raportoidut tulokset mallinnetuista kerran sadassa vuodessa toistuvista sateista lisätyillä ilmastonmuutoskertoimilla osoittivat, että vaikka maksimivirtaamat purkupisteissä kasvoivat kertoimen kertaluokassa, kokonaisvirtaamat purkupisteissä kasvoivat suhteellisesti enemmän. Samaan aikaan havaittiin, että suurempi osuus sataneesta vedestä muodosti hulevettä sateen aikana. Ylivuotavat verkosto-osuudet pysyivät samoina, mikä osoitti, että sademäärän kasvu ei muuttaisi merkittävästi verkoston käyttäytymisen luonnetta, mutta voimistaisi havaittuja verkoston ylivuotoja ja hulevesitulvia. Tulokset osoittavat tarpeen uudelleenarvioida Pirkkalan hulevesien hallintaa vuoden 2050 oletettua tilannetta varten. Integroitua hulevesien hallintaa ehdotetaan sovellettavaksi sekä nykyisille että tuleville maankäyttöalueille kestävän hulevesijärjestelmän varmistamiseksi. Suositeltuja ratkaisuja kunnassa olivat luontaisen hydrologian sekä hajautettujen että keskitettyjen luontopohjaisten hulevesien hallintaratkaisujen hyödyntäminen maankäytön suunnittelussa.

Stormwater is a resulting phenomenon of urbanization which shows no signs of slowing down, and the generation of stormwater is continually increasing. At the same time, climate change is expected to increase extreme weather events. To ensure the capability of future urban areas to sufficiently manage stormwater, emphasizing an integrated stormwater management approach is recommended. The purpose of this thesis was to examine the increase of generated stormwater and stormwater network flood risks due to changing land use and climate developments on catchment scale using a developed stormwater network model and to evaluate the implementation of the integrated stormwater management approach based on the modelling results. The thesis was carried out as a case study for Haikanpuro and Korteoja catchments located in Pirkkala, where land use is expected to densify in upcoming years around a new tram line across the catchments. A SWMM-based stormwater network model of the studied catchments using Fluid-it Storm software was built for the study. The model was used to examine the changes in storm-water flows generated in the catchments and network flood risks. The used storm events had a return period of either 1/5 or 1/100 a. Climate developments were examined by adding four climate factors (20, 30, 40 and 50%) to the 1/100 a storm events. In addition, the effect of possible storm-water detention requirements on generated stormwater flows was examined and the possibilities for the implementation of the integrated stormwater management approach in the municipality were evaluated. Between the current and future land use scenario, observed stormwater total inflows at outfalls, junction overflows and conduit capacity exceedings increased especially during the 1/5 a return period storm events. Increases in total inflows, junction overflows and conduit capacity exceedings were also observed in the 1/100 a return period storm events in a proportionally smaller scale. Maximum inflows at outfalls were found to not increase in all modelled scenarios following increased land use, with some storm events up to 6 h long resulting in decreased maximum inflow volumes between current and future land use scenarios. The tested commonly used detention requirement of 1 m³ of detention volume per 100 m² of impervious surfaces in new building zones was observed not to be enough to retain stormwater flow quantities at current levels in the studied streams even with current storm event intensities. The reported results from modelled 1/100 a storm events with tested climate factors showed that while maximum inflows at outfalls increased uniformly with the used climate factor, total in-flows at outfalls increased proportionally more than the storm event intensity. At the same time, a higher portion of rainfall was observed to become runoff during an event. Areas in the network subject to large overflows stayed the same between scenarios, implying that the expected increase in incoming rainfall volumes would not significantly alter network behavior but amplify the observed network overflows and stormwater floods. The results demonstrate a need for reconsidering stormwater management in Pirkkala to account for the changes expected by 2050, and the application of the integrated stormwater management approach is suggested for both current and future land development areas to ensure a resilient stormwater system in the future. Recommended solutions in implementing the approach in the municipality area included a heavier emphasis on following natural hydrology and utilizing both at-source and centralized nature-based stormwater management solutions in land use design.