Numerical assessment of rainwater management in historical central town square catchment with different surface sealing

• Autorzy: Widomski Marcin K. , Musz-Pomorska Anna

Identyfikatory

DOI

10.15199/17.2024.9.3

Warianty tytułu

PL

Numeryczna ocena zagospodarowania wód opadowych na obszarze zlewni historycznego placu miejskiego o zróżnicowanym uszczelnieniu powierzchni

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Revitalization of historical town squares in Poland is frequently related to increase in their paved area combined with decrease in the green area and removal of trees. Taking into account increasing number of torrential rainfall events, highly sealed urban basins are prone to flooding as a results of distorted hydrologic cycle with elevated runoff, exceeding capacity of existing stormwater systems, combined with limited interception and infiltration. Thus, application of sustainable stormwater management in the historical towns centers seems to be reasonable. This paper presents numerical assessment of changes in water cycle caused by revitalization in the basin of the Lithuanian Square in Lublin, Poland. The improvement of water balance due to installation of raingardens, as a popular Low Impact Development designs, was also proposed and numerically validated. Numerical simulations were performed in Stormwater Management Model 5.2 by EPA, USA for a period 1st April - 30th June 2024. The obtained results, covering accumulated rainwater volume, outflow hydrographs and determined runoff coefficients, indicated that rainwater management before and after revitalization performed comparably. Installation of raingardens allowed clear improvement in the rainwater balance of the whole studied basin allowing 27.7% decrease in total rainwater outflow, decrease in runoff coefficient to 0.476 and changes in hydrographs with peak flows reduced up to 47.45%.

PL

Rewitalizacja historycznych placów polskich miast jest często powiązana ze wzrostem powierzchni utwardzonej oraz zmniejszeniem udziału obszarów zielonych oraz usuwaniem drzew. Biorąc pod uwagę wzrastającą liczbę intensywnych opadów, znacznie uszczelnione zlewnie zurbanizowane stają się wysoce podatne na podtopienia wynikające z zaburzonego cyklu hydrologicznego o podwyższonym spływie powierzchniowym, przekraczającym wydajność istniejących systemów odwadniających, oraz ograniczonych intercepcji i infiltracji. Zatem, nacisk na stosowanie zrównoważonego zagospodarowywania wód opadowych w historycznych centrach miast wydaje się być uzasadniony. Niniejsza praca przedstawia numeryczną ocenę zmian bilansu wodnego spowodowaną rewitalizacją zlewni Placu Litewskiego w Lublinie, Polska. Zaproponowano także, oraz numerycznie oceniono, poprawę bilansu wodnego zlewni możliwą dzięki instalacji ogrodów deszczowych, popularnego rozwiązania Low Impact Development. Obliczenia symulacyjne przeprowadzono w programie Stormwater Management Model 5.2, EPA, USA dla okresu 1 kwietnia - 30 czerwca 2024 r. Otrzymane wyniki, obejmujące sumaryczną objętość wody deszczowej, hydrogramy odpływu oraz obliczone współczynniki spływu wykazały, że zagospodarowanie wody deszczowej przed i po rewitalizacji funkcjonowało podobnie. Natomiast, zastosowanie ogrodów deszczowych pozwoliło na wyraźną poprawę bilansu wodnego zlewni, umożliwiając 27,7% zmniejszenie odpływu wód deszczowych, obniżenie współczynnika spływu do wartości 0,476 oraz redukcję przepływów maksymalnych o 47,45%.

Słowa kluczowe

EN

urban catchment; water balance; Low Impact Development; rain garden; numerical modelling; revitalization

PL

zlewnia zurbanizowana; bilans wodny; Low Impact Development; ogród deszczowy; modelowanie numeryczne; rewitalizacja

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Gaz, Woda i Technika Sanitarna
• Rocznik: 2024
• Tom: Nr 9
• Strony: 17--25
• Opis fizyczny: Bibliogr. 42 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Widomski Marcin K.

• Faculty of Environmental Engineering, Lublin University of Technology, Lublin, 20-618, Nadbystrzycka 40B, Poland

autor

Musz-Pomorska Anna

• Faculty of Environmental Engineering, Lublin University of Technology, Lublin, 20-618, Nadbystrzycka 40B, Poland

Bibliografia

• [1] Bąk J., Barjenbruch M. 2022. "Benefits, Inconveniences, and Facilities of the Application of Rain Gardens in Urban Spaces from the Perspective of Climate Change-A Review" Water, 14.1153. DOI: 10.3390/w14071153.
• [2] Boguniewicz-Zabłocka J., Capodaglio A.G. 2020. "Analysis of Alternatives for Sustainable Stormwater Management in Small Developments of Polish Urban Catchments" Sustainability 12.10189. DOI: 10.3390/su122310189.
• [3] Boogaard F., Lucke T. 2019. "Long-Term Infiltration Performance Evaluation of Dutch Permeable Pavements Using the Full-Scale Infiltration Method" Water 11(2), 320. DOI: 10.3390/w11020320.
• [4] Chao X., Mohammad R., Dagmar H., Yiping W., Meirong S., Stephan P. 2020. "Surface runoff in urban areas: The role of residential cover and urban growth form". Journal of Cleaner Production 262.121421. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.121421.
• [5] Chen C. F., Lin J. W., Lin J. Y. 2022. "Hydrological Cycle Performance at a Permeable Pavement Site and a Raingarden Site in a Subtropical Region" Land 11.951. DOI: 10.3390/land11060951.
• [6] Chen Y., Zhou H., Zhang H., Du G., Zhou J. 2015. "Urban flood risk warning under rapid urbanization" Environmental Research 139(3).10. DOI: 10.1016/j.envres.2015.02.028.
• [7] Demuzere M., Orru K., Heidrich O., Olazabal E., Geneletti D., Orru H., Bhave A.G., Mittal N., Feliu E., Faehnle M. 2014. "Mitigating and adapting to climate change: Multi-functional and multi-scale assessment of green urban infrastructure" Journal of Environmental Management 146. 107-115. DOI: 10.1016/j.jenvman.2014.07.025.
• [8] Dobbie M. F., Farrelly M. A. 2022. "Using best-worst scaling to reveal preferences for retrofitting raingardens in suburban streets" Urban Forestry & Urban Greening 74.127619. DOI: 10.1016/j.ufug.2022.127619.
• [9] Dussaillant A. R., Cuevas A., Potter K. W. 2005. "Raingardens for stormwater infiltration and focused groundwater recharge: simulations for different world climates" Water Supply 5(3-4). 173-179. DOI:10.2166/ws.2005.0097.
• [10] Dymek D., Jóźwik J. 2021. "Kształtowanie placów miejskich na przykładzie miast województwa lubelskiego" Annales UMCS sec. B 76. 1-28. DOI:10.17951/b.2021.76. 1-28, https://journals.umcs.pl/b/article/view/11415/8803.
• [11] EU Water Framework Directive. Directive 2000/60/EC of the European Parliament and of the Council of 23 October 2000 establishing a framework for Community action in the field of water policy. Off. J. Eur. Communities 2000, 22, 1-73.
• [12] Gdela M., Widomski M. K., Musz-Pomorska A. 2019. "Hydraulic efficiency of selected intensive green roof substrates" Ecological Chemistry and Engineering A 26(1-2). 37-45. DOI: 10.2428/ecea.2019.26(1-2)4.
• [13] Marek G. 2023. "Ocena wpływu zastosowania obiektów LID na hydrogram odpływu wód deszczowych ze zlewni kampusu Politechniki Lubelskiej". Praca magisterska, Politechnika Lubelska.
• [14] Hammond M. J., Chen A. S., Djordjević S., Butler D., Mark O. 2015. "Urban flood impact assessment: a state-of-the-art review" Urban Water Journal 12. 14–29. DOI: 10.1080/1573062X.2013.857421.
• [15] https://300gospodarka.pl/explainer/betonoza-nie-tylko-w-lezajsku-tlumaczymy-czemu-nie-warto-zamieniac-zieleni-na-beton
• [16] https://geologia.pgi.gov.pl/mapy/
• [17] https://lublin.eu/mieszkancy/srodowisko/srodowisko-przyrodnicze-lublina/klimat/
• [18] https://miastojestnasze.org/betonoza-wizytowka-polskich-miast/ (accessed on 24 July 2024).
• [19] https://swmm5.org/2017/11/06/runoff-coefficient-in-infosewer-and-infoswmm/
• [20] https://wkz.lublin.pl/wp-content/uploads/2024/03/zalacznik-nr-1.pdf
• [21] https://www.gazetakongresy.pl/betonoza-jak-rewitalizacja-polskiej-przestrzeni-miejskiej-szkodzi-wszystkim-wokol/
• [22] https://www.geoportal.gov.pl/, e-mapy.net
• [23] https://www.money.pl/gospodarka/betonoza-w-miastach-dlaczego-pozbylismy-sie-zieleni-z-miast-6808029991025152a.html
• [24] Iwanowa A., Musz-Pomorska A., Widomski M. K. 2023. "Numerical assessment of green infrastructure and permeable pavements influence on runoff outflow in small-scale industrial catchment" Gaz, Woda i Technika Sanitarna 97(9). 15-20. DOI: 10.15199/17.2023.9.3.
• [25] Jose R., Wade R., Jefferies C. 2014. "Smart SUDS: recognising the multiple-benefit potential of sustainable surface water management systems" Water Science and Technology 71(2). 245-251. DOI: 10.2166/wst.2014.484.
• [26] Kasprzyk M., Szpakowski W., Poznańska E., Boogaard F. C., Bobkowska K., Gajewska M. 2022. "Technical solutions and benefits of introducing rain gardens - Gdańsk case study" Science of The Total Environment 835. 155487. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2022.155487.
• [27] Kukadia J., Lundholm M., Russell I. 2018. "Designing Rain Gardens: A Practical Guide, Urban Design London". available online https://www.urbandesignlearning.com/resources/publications/details?recordId=recOcYos3UmeZ9PMw (accessed on 24 July 2024).
• [28] Lancaster B. 2006. "Guiding principles to welcome rain into your life and landscape". Rainwater Harvesting for Drylands and Beyond, 1. Tucson, Arizona: Rainsource Press.
• [29] Mencwel J. 2020. "Betonoza. Jak niszczy się polskie miasta" Wyd. Krytyka Polityczna.
• [30] Özerol G., Dolman N., Bormann H., Bressers H., Lulofs K., Böge M. 2020. "Urban water management and climate change adaptation: A self-assessment study by seven midsize cities in the North Sea Region" Sustainable Cities and Society 55. 102066. DOI:10.1016/j.scs.2020.102066.
• [31] Pitt R. E., Clark S., Johnson P., Voorhees J. 2008. "Evapotranspiration and Related Calculations for Bioretention Devices" Journal of Water Management Modeling R228-19. DOI: 10.14796/JWMM.R228-19.
• [32] Rain gardens. Iowa Rain Garden. Design and Installation Manual, the Iowa Stormwater Partnership, Iowa Department of Agriculture and Land Stewardship-Division of Soil Conservation (IDALS-DSC). 2008. Available online: https://www.iowadnr.gov/portals/idnr/uploads/water/watershed/files/raingardens.pdf (accessed on 24 July 2024).
• [33] Rammal M., Berthier E. 2020. "Runoff Losses on Urban Surfaces during Frequent Rainfall Events: A Review of Observations and Modeling Attempts" Water 12(10). 2777. DOI: 10.3390/w12102777.
• [34] Rossman L. A. 2009. "Storm water management model user’s manual version 5.0. National risk management research laboratory", Office of research and development. U.S. Environmental Protection Agency. Cincinnati.
• [35] Sagrelius P. Ö, Blecken G., Hedström A., Ashley R., Viklander M. 2023. "Sustainability performance of bioretention systems with various designs". Journal of Environmental Management 340. 117949. DOI: 10.1016/j.jenvman.2023.117949.
• [36] Shafique M., Kim R. 2017. "Retrofitting the Low Impact Development practices into developed urban areas including barriers and potential solution" Open Geoscience 9. 240-254. DOI: 10.1515/geo-2017-0020.
• [37] Silva F. O. T., Wehrmann A., Henze H-J., Model N. 2005. "Ability of plant- based surface technology to improve urban water cycle and mesoclimate" Urban Forestry & Urban Greening 4(3-4).145-158. DOI: 10.1016/j.ufug.2005.12.004.
• [38] Siwiec E., Erlandsen A., Vennemo H. 2018. "City greening by rain gardens-costs and benefits" Environmental Protection and Natural Resources 29.1-5. DOI: 10.2478/oszn-2018-0001.
• [39] Timothy T. 2018. "Eaton, Approach and case-study of green infrastructure screening analysis for urban stormwater control" Journal of Environmental Management 209. 495-504. DOI: 10.1016/j.jenvman.2017.12.068.
• [40] Wilbers G. J., de Bruin K., Seifert-Dähnn I., Lekkerkerk W., Li H., Budding-Polo Ballinas M. 2022. "Investing in Urban Blue-Green Infrastructure-Assessing the Costs and Benefits of Stormwater Management in a Peri-Urban Catchment in Oslo, Norway" Sustainability 14.1934. DOI: 10.3390/su14031934.
• [41] www.geoportal.lublin.eu
• [42] Zhang L., Ye Z., Shibata S. 2020. "Assessment of rain garden effects for the management of urban storm runoff in Japan" Sustainability 12(23). 9982. DOI: 10.3390/su12239982.