Udkast til kort beskrivelse af grønne tages hydrologiske egenskaber Udarbejdet på baggrund af arbejdsmøde 12. januar 2012 + 28. februar 2012. Dokument til internt brug i ViB-projektet Kan grønne tage tage vand Kan offentliggøres på www.laridanmark.dk Kan evt. publiceres i Teknik og Miljø. Grønne tages hydrauliske egenskaber Af Michael Rasmussen, Hanne Kjær Jørgensen, Per Bjerager, Lotte Fjendbo Møller og Marina Bergen Jensen 1. Indledning Når det regner på et grønt tag opstår et anderledes afstrømningsmønster sammenlignet med et almindeligt, ikke vegetationsdækket tag. Grønne tage kan mindske afstrømningsmængden og forsinke afstrømningshastigheden. Derfor lettes presset på kloaksystemer og/eller LAR-elementer i bydele hvor grønne tage er udbredt. Hvor stor en volumenreduktion (tilbageholdelse) og forsinkelse, der er tale om, og dermed hvor stor en hjælp de grønne tage er for regnvandshåndteringen, afhænger af tagenes magasinkapacitet, permeabilitet (gennemsivelighed) og udtørringsevne. Den faktiske volumenreduktion og forsinkelse afhænger derudover af vejrforholdene. Her spiller især tagenes mulighed for at tørre ud mellem regn ind. Volumenreduktion og forsinkelse kan derfor kun udtrykkes statistisk, dvs. langtidsmålinger eller simuleringer af volumenreduktion (afstrømningskoefficient) og forsinkelse (koncentrationstid?) som funktion af regntypen (intensitet, varighed, gentagelsesperiode). Volumenreduktion har især betydning for dimensionering af bassiner i det nedstrøms kloak- eller LAR-system, mens forsinkelse især har betydning for dimensionering af transport-elementer. I det følgende beskrives de centrale egenskaber ved tagene, samt de parametre, der skal bruges for dimensionering af det øvrige regnvandshåndteringssystem. Der gives også anvisninger på hvordan de forskellige egenskaber og parametre kan bestemmes, og hvad man som designer eller producent af grønne tage skal skrue på hvis man ønsker at øge et grønt tags evne til at forsinke og/eller tilbageholde regn. 2. Gennemgang af grønne tages hydrauliske karakteristika 2.1 Magasinkapacitet (vandholdende evne)/ Reservoirkonstant Et grønt tags evne til at magasinere vand er bestemt af de enkelte materialers (drænlagets, substratets, evt. ekstra magasiners) samlede vandholdende evne. Man kan skelne mellem vandindholdet ved fuld mætning, ved markkapacitet og ved visnegrænsen. Se Figur 1.
Fuld mætning er vandindholdet når yderligere nedbør begynder at strømme af overfladisk hen over vegetationen. I den situation er alle porer vandfyldte. Markkapacitet 1 er vandindholdet efter regnens ophør og efter fri afdræning, det vil sige når det er holdt op med at dryppe fra taget. I praksis indtræffer dette tidspunkt efter ca. 2 timer for ekstensive grønne tage og efter ca. et døgn for intensive grønne tage. I den situation er alle grove porer tømt for vand, og kun de mindre porer vandfyldte. Visnegrænsen er vandindholdet efter fuld udtørring, det vil sige efter at al vandet i de små porer er fordampet, enten direkte fra substratet til atmosfæren (evaporation) eller transpireret gennem planterne (evapotranspiration). Tagets vandindhold ved visnegrænsen er meget lille. Det består kun af evt. krystallinsk vand (vand der indgår direkte i substratets mineraler) eller vand gemt dybt ind i de enkelte substratkorn, samt naturligvis vandindholdet i den endnu netop levende vegetation. Q vandmættet Vandindhold ved fuld mætning (overfladisk afstrømning begynder) Q markkapacitet Vandindhold ved markkapacitet (afdrænet tilstand) Vandindhold ved visnegrænsen (udtørret tilstand) Q visnegrænse Figur 1: Magasinkapacitet. Kassen til venstre illustrerer vandindholdet ved visnegrænsen, markkapacitet og fuld mætning. Til højre ses principfigurer for den tilhørende fordeling af luft og vand i det grønne tag. Ved fuld mætning er alle hulrum fyldt med vand. Ved markkapacitet er de største porer drænet af, og det vand taget nu indeholder, kan kun forsvinde ved fordampning. Ved visnegrænsen er taget udtørret, fordi al vand er fordampet og vegetationen er enten død, eller har stoppet transpirationen og er gået i overlevelsesmode (sedum og andre sukkulenter kan den slags). 1 At kalde et grønt tag en mark er måske lidt misvisende. Men begrebet markkapacitet er almindelig benyttet inden for agro-hydrologi, og betegner vandindholdet i jorden efter at den har haft mulighed for at dræne frit af i 1 m dybde under målepunktet.
Figur 2: Afstrømning fra grønt tag i forskellige udgangssituationer. Hvis taget er ved markkapacitet (afdrænet) når regnen (sort graf) kommer, sker der kun en forsinkelse på grund af øget modstand (blå graf). Hvis taget er ved visnegrænsen (udtørret) starter afstrømningen først når vandindholdet er ved markkapacitet, og den samlede afstrømning er mindre. Vandindholdet ved visnegrænsen (nederste boks i Figur 1) er så hårdt bundet at det ikke har nogen betydning for hverken planter eller afstrømning. Vandindholdet fra visnegrænse til markkapacitet (mellemste boks i Figur 1) er interessant fordi der her kan være et varigt magasin (grøn graf i Figur 2). Størrelsen afhænger af tagets udtørringsgrad. Hvis taget har nået at tørre helt eller delvist ud siden sidste regn vil regnvolumenet op til markkapacitet blive permanent tilbageholdt. Hvor hyppigt vandindholdet er under markkapacitet afhænger af vejrforholdene og tagets udtørringsevne, og må udtrykkes som statistisk sandsynlighed, se mere herom nedenfor. Vandindholdet fra markkapacitet til fuld mætning (øverste boks i Figur 1) er interessant fordi det kan give en forsinkelse af afstrømningen (blå graf Figur 2). Dette volumen, der som nævnt består af grove porer i substratet og omkring vegetationen, virker bremsende på vandet, og svarer til at ruheden øges. De forskellige situationer er illustreret i figur 2. Reservoirkonstanten er den samme som tagets magasinkapacitet eller som bassinvoluminet. Forskellen på et traditionelt bassinvolumen og reservoirkonstanten i det grønne tag er, at opmagasineringsevnen afhænger af vandindholdet i taget på det aktuelle tidspunkt. Derfor er der to former for reservoirkonstant:
Kommentar1. Dette bør skrives i forhold til de 3 voluminer overfor Kommentar 2: Holder det med to konstanter. Opererer de med det i FLL-rapporten? Synes det er mest oplagt kun at benytte kapaciteten ved visnegrænsen. Den største magasinkapacitet er bassinets maksimale volumen, der på figur XX udgør arealet mellem R1- og afløbshydrografen A2, når afløbshydrografen er målt i udtørret tilstand (vandindhold ved visnegrænsen). Den laveste magasinkapacitet er bassinets maksimale volumen, når afløbshydrograven er målt i afdrænet tilstand (vandindhold ved markkapacitet), hvilket på figur xx er arealet mellem R1 og A2. 2.2 Permeabilitet (gennemsivelighed) / Den hydrauliske ledningsevne Det grønne tags permeabilitet udtrykker hvor let det er for vandet at sive igennem taget, og er dermed et udtryk for den modstand taget yder mod vandstrømning. Permeabiliteten afhænger af porestørrelse og af porernes snørklethed (turtuositet) og forbundethed. Jo større porerne er, jo mere gennemgående de store porer er, og jo mere direkte de fører i gennem taget desto større er permeabiliteten. Permeabiliteten bliver mindre hvis store porer er forbundet med mindre porer, og hvis porerne har en snørklet geometri og vandet derfor skal løbe en lang vej før det når drænlaget. Hvis vandindholdet i taget er under markkapacitet, når regnen kommer, vil der ikke strømme vand igennem taget før vandindholdet overstiger markkapacitet, og vandet begynder at strømme i de grove porer, der ikke kan holde på vandet. Permeabiliteten vil da vokse indtil alle grovporer er vandførende. Man kan derfor kun bestemme en konstant værdi for permeabiliteten ved fuld vand- mætning. Denne værdi kaldes mættet hydraulisk ledningsevne, K sat, og bestemmes ved at optage sammenhørende værdier af strømningshastigheden, q (m/s) ved forskellige gradienter, i (m/m), idet q = i * K sat (Darcy s lov) K sat er en karakteristisk størrelse for det grønne tag. Enheden er m/s. Hvis Ksat er 0,003 m/s svarer det til, at det fuldt vandmættede tag kan følge med til regnintensiteter på op til 3 mm/s, og altså transportere vandet gennem taget med samme hastighed som det strømmer ind. Ved større intensiteter vil det ekstra vand at afstrømme overfladisk. Hvis det grønne tag er opbygget af flere lag vil laget med den laveste permeabilitet bestemme tagets samlede permeabilitet. Vand vil da akkumulere oven på det bremsende lag og gå mod fuld mætning. 2.3 Udtørringsevne Et grønt tags evne til tørre ud har betydning for dets hydrauliske egenskaber. Jo hurtigere et grønt tag tørrer ud efter en nedbør, desto større er dets aktuelle magasinkapacitet. Udtørringshastigheden afhænger naturligvis af vejrforholdene (varme og vind øger hastigheden), men også af valget af vegetation og af substratets karakter.
Jo større mængde levende vegetation på taget desto større er transpirationen. Derudover er der forskelle i fordampningspotentiale mellem arter, og på hvor gode forskellige arter er til at økonomisere med vandet. Her er græsser f.eks. dårlige græsser bliver ved med at vokse maksimalt indtil døden, mens sedum og andre sukkulenter, dels vokser meget langsomt, dels lukker for spalteåbninger og dermed transpiration når vandpotentialet i jorden falder under visse grænser. I vinterperioden sker der kun lille transpiration (stedsegrønne arter i frostfrie perioder) eller slet ingen (løvfældende arter). Enkelte store porer eller sprækker i et ellers tæt og småkornet substrat kan sandsynligvis øge udtørringshastigheden markant, fordi disse makrostrukturer fungerer som udtørringskanaler som vanddampen kan forsvinde gennem. 2.4 Peak flow reduktion Peak flow reduktion fremgår af teoretiske til- og afløbshydrografer (figur XX) samt målte teoretiske til- og afløbshydrografer (figur 3) Peak flow reduktion fremgår af teoretiske til- og afløbshydrografer (figur XX) samt målte teoretiske til- og afløbshydrografer (figur XXX) Peak flow reduktion På figuren ser det ud til at arealet under de to kurver er ens. Hvis der er tale om et grønt tag vil der (ofte) være et ekstra volumen (nemlig udtørringsvolumenet), hvilket betyder at arealet under afløbshydrografen er mindre end arealet under tilløbshydrografen.
Peak flow reduktion er forskellen mellem nedbørsmaximum (toppunkt på nedbør) og maksimal afstrømning fra taget (toppunkt på afløbshydrograf) i % nedbørsmaximum. 2.5 Afløbskoefficient (afstrømningskoefficient) Afløbskoefficienten (F eller φ) angiver, hvor stor en andel af regnen, der forventes af afstrømme fra det grønne tag. En afløbskoefficient på 1 svarer til, at al regnen forlader taget, mens en afløbskoefficient på 0 betyder, at al vand forbliver på taget. 1 minus afløbskoefficienten angiver dermed, hvor meget vand, der forsvinder på anden vis (lagring i de forskellige lag i taget og fordampning). Bemærk at afløbskoefficienten afhænger af hvilken regn, der betragtes. For små regn vil den være 0 og for meget store regn vil den være tæt på 1. Afløbskoefficienten defineres derfor udfra en bestemt størrelse regn fx dimensionsgivende regn for området (fx 5 eller 10 års regnen). Afstrømningskoefficienten er tidligere fastlagt for forskellig beplantning: Beplantning Tykkelse af vækstlag (mm) Afløbskoefficient Mos og stenurt 20 40 0,60 Mos, stenurt og andre 60 100 0,50 mindre planter Græs og mindre planter 150 200 0,40 Græsplæne og større 500 0,10 planter / mindre træer Tabel 1: Afløbskoefficienter fra et grønt tag. Original kilde:??
Afløbskoefficienten for grønne tage skal bestemmes i løbet af projektet. Det vanskelige er her, at afstrømningskoefficienten for et enkelt tag ikke vil være konstant. Afløbskoefficienten vil fx afhænge af: fordampningen (temperatur, vind, vindretning, retning af taget), tagets hældning (jo større hældning, jo lettere afstrømmer vandet i princippet). Desuden er længden af den forudgående tørvejrsperiode (dvs. antal dage siden det sidst regnede) af stor betydning. Hvis taget fx er tørt, vil de forskellige vækstlag samt planterne i princippet kunne tilbageholde mere vand, end hvis taget er gennemblødt. Derfor afhænger det grønne tags opmagasineringsevne af vandindholdet i de enkelte lag og materialer. Der skelnes her mellem: vandindholdet ved fuld mætning, ved markkapacitet (afdrænet tilstand) ved visnegrænsen (udtørret tilstand). Se Figur 1 (Marinas) Opmagasineringsevnen for et grønt tag afhænger således af, hvilken beplantning, der vælges, idet vandoptagelsen og fordampningen fra planterne afhænger af de specifikke arter. Men derved afhænger opmagasineringsevnen også af, hvor lang tid siden, at det grønne tag er etableret. Det/de første år efter etableringen af taget, vil opmagasineringsevnen være mindst, da planterne (og rødderne) er små. Først efter min. 1-2 vækstsæsoner, hvor planterne har fået fat, vil opmagasineringsevnen være på et vidst niveau. I det følgende defineres afstrømningskoefficienten som tilbageholdt mængde på netop det tidspunkt, hvor regnen stopper. 2.6 Volumetrisk reduktion (tilbageholdt mængde når afdræningen er stoppet) mangler 2.7 Årlig tilbageholdelse Det er veldokumenteret i fx Portland, USA, og i Malmö, Sverige, at det grønne tag set over et år - reducerer vandmængden til afløbssystemet, da en del af vandet anvendes af planterne og en stor del fordamper, se fx figur 2:
Figur 2: Årlig tilbageholdelse af nedbør på taget Hamilton Apartments Ecoroof i Portland, USA. Kilde: Portland Rapport. Af figur 2 ses, at den årlige tilbageholdelse fra taget i Portland har været minimum 41% og gennemsnitlig 53% (over 6 år). Årlig tilbageholdelse er differensen mellem årsnedbøren og akkumuleret afstrømning i forhold til årsnedbøren. 2.7 Sammenfatning De hydrauliske definitioner sammenfattes i nedenstående tabel 1.