Dimensioneringsmetoder
för vägavvattning
– En studie av svenska och tyska dimensioneringsnormer
med fokus på infiltration
Mathilda Jägryd & Veronica Gullstrand
Vattenförsörjnings- och Avloppsteknik
Institutionen för kemiteknik, LTH
Examensarbete 2013
Dimensioneringsmetoder för
vägavvattning
– En studie av svenska och tyska dimensioneringsnormer
med fokus på infiltration
Methods for dimensioning road drainage
– A study of Swedish and German regulations with focus
on infiltration
av
Mathilda Jägryd
Veronica Gullstrand
Examensarbete nummer: 2013-02
Vattenförsörjnings- och Avloppsteknik
Institutionen för Kemiteknik
Lunds Universitet
June 2013
Handledare: Viveka Lidström, LTH & Lena Sjögren, Ramböll Sverige AB
Examinator: Professor Jes la Cour Jansen
Bild på framsidan: Vägdike, Lund, Sverige (Jägryd, 2013)
Postadress
P.O. Box 124
221 00 Lund, Sweden
Hemsida
www.vateknik.lth.se
Besöksadress
Getingevägen 60
Telefon
046-222 82 85
046-222 00 00
Fax
046-222 45 26
Förord
Examensarbetet utgör det slutliga ledet i samtliga civilingenjörsutbildningar vid Lunds
Tekniska Högskola. Detta examensarbete har genomförts inom Vattenförsörjnings- och
Avloppsteknik vid Institutionen Kemiteknik och utförts i samarbete med konsultfirman
Ramböll i Malmö. Arbetet har pågått under vinter och vår 2012/2013 och i och med
färdigställandet av detta examensarbete får vi nu kalla oss Civilingenjörer inom Väg- och
vattenbyggnad med inriktningen Vattenresurshantering.
Under arbetets gång har vi fått hjälp och många värdefulla kommentarer från ett flertal
personer inom branschen och först och främst vill vi rikta ett stort tack till våra
handledare Viveka Lidström, LTH, och Lena Sjögren, Ramböll, för deras hjälp med att
driva vårt examensarbete framåt. Vi vill även tacka Tomas Wolf och Stefan Milotti på
VA SYD som gjorde det möjligt för oss att utföra vår fältstudie samt Magnus Billberger
och Johan Högström på Trafikverket som bidragit med underlag till examensarbetet.
Vidare vill vi även tacka våra familjer och alla er andra som bidragit på ett eller annat sätt
till detta examensarbete.
Slutligen vill vi tacka enheten Mark på Rambölls kontor i Malmö där vi fått sitta och
arbeta i en inspirerande miljö samt vår examinator, Jes la Cour Jansen, som varit
involverad genom hela processen.
Mathilda Jägryd & Veronica Gullstrand
Ramböll, Malmö
Juni 2013
Summary
The Swedish regulations for dimensioning of road drainage are currently being updated
by the Swedish Transport Administration after inspiration from the corresponding
regulations in Germany. Thus the aim of this Master Thesis is to compare the Swedish
and German regulations for dimensioning of road drainage to find similarities and
differences between the two. The work has been extended with studies of the Rational
method and Horton´s equation. Based on the findings in this Master Thesis,
recommendations for a new method for dimensioning road drainage outside urban areas
in Sweden are presented.
Today the Rational method is the most used method in Sweden to calculate dimensioning
storm water flows for dimensioning road drainage. A similar method is used in Germany,
called the Time-coefficient method. However, there are some essential differences
between the two countries´ ways to think when dimensioning the road drainage. One of
the differences is that, in the German regulations, the road runoff is considered to further
infiltrate in the trenches if these have not been saturated by the rainfall. This is not
considered in Sweden. Further, in the Rational method, runoff coefficients are used for all
types of surfaces, while these are only used for paved surfaces in the Time-coefficient
method. The vegetated surfaces in Germany are assigned infiltration capacities and the
dimensioning flow for such surfaces is calculated by subtracting the infiltration capacity
from the rainfall intensity and multiplying the result with the area of the surface. Another
difference is that pipelines are avoided in Germany and instead only trenches are used to
take care of the road runoff, while both pipelines and trenches are often used combined in
Sweden.
Based on the findings in this Master Thesis some improvements of the Rational method in
the Swedish regulations were recommended. The rainfall intensity should be determined
based on calculations and comparisons between concentration time and duration of the
rain. It is further recommended that the Horton equation should be implemented in the
Rational method in such a way that an infiltration capacity is chosen from an infiltration
capacity curve based on the properties of the catchment area. This infiltration capacity
should then be used to consider that road runoff can infiltrate in the trenches just like in
the German regulations. The last recommendation is that pipelines should be avoided
when possible and to avoid inundations downstream, deviating trenches can be
constructed.
The suggested recommendations in this Master Thesis were developed in hope of raising
questions for the decision makers at the Swedish Transport Administration, but in order to
implement some of the recommendations further investigations are necessary.
Sammanfattning
Trafikverket arbetar just nu med att uppdatera de svenska dimensioneringsnormerna för
vägavvattning, efter att ha inspirerats av motsvarande tyska dimensioneringsnormer.
Därmed syftar detta examensarbete till att jämföra svenska och tyska dimensioneringsnormer för vägavvattning för att hitta likheter och skillnader mellan de två normerna.
Arbetet innefattar även studier av Rationella metoden och Hortons ekvation. Utifrån
erhållna resultat tas förslag på förbättringar av den svenska dimensioneringsmetoden,
Rationella metoden, för vägavvattning utanför urban mark fram.
Idag är Rationella metoden den mest använda metoden i Sverige för framtagning av
dimensionerande flöde i dimensioneringsnormerna för vägavvattning. I Tyskland används
en liknande metod, kallad Tidkoefficientmetoden. Trots detta finns det väsentliga
skillnader mellan de två länderna i deras sätt att tänka vid dimensionering av vägavvattningssystem. En av dessa skillnader är att det i den tyska dimensioneringsmetoden
tas hänsyn till att ytavrinningen från vägbanorna vidare kan infiltrera i diken om inte
dessa vattenmättats vid regntillfället. Detta tas det inte hänsyn till i de svenska
dimensioneringsmetoderna. Vidare används avrinningskoefficienter i Rationella metoden
för samtliga yttyper medan avrinningskoefficienter endast används för hårdgjorda ytor i
Tidkoefficientmetoden. I Tidkoefficientmetoden tilldelas de vegeterade ytorna
infiltrationskapaciteter och det dimensionerande flödet för sådana ytor beräknas genom
att subtrahera infiltrationskapaciteten från regnintensiteten och därefter multiplicera
resultatet med ytans area. Ytterligare en skillnad är att ledningar undviks i Tyskland och
istället används endast diken för att ta hand om avrinningen från vägbanorna, medan
ledningar oftast används i kombination med diken i Sverige.
Utifrån de erhållna resultaten i detta examensarbete gavs rekommendationer till
förbättringar av Rationella metoden. En av de föreslagna förbättringarna är att regnintensiteten bestäms utifrån beräkningar och jämförelser av rinntiden och regnets
varaktighet. Vidare rekommenderas det att Hortons ekvation implementeras i Rationella
metoden på ett sådant sätt att en infiltrationskapacitet väljs från en infiltrationskapacitetskurva framtagen för rådande förhållanden i avrinningsområdet. Infiltrationskapaciteten kan sedan användas då hänsyn tas till att ytavrinning från vägbanorna kan
infiltrera i dikena, liksom det görs i den tyska dimensioneringsmetoden. Slutligen
rekommenderas att ledningar undviks i så stor utsträckning som möjligt och för att
undvika översvämningar nedströms kan bortledande diken konstrueras.
De föreslagna rekommendationerna i detta examensarbete togs fram med förhoppningen
att väcka frågor hos beslutsfattarna på Trafikverket, men för att kunna implementera
några av rekommendationerna kan vidare studier vara nödvändiga.
Innehåll
1. Inledning .......................................................................................................................... 1
1.1. Bakgrund ................................................................................................................... 1
1.2. Syfte .......................................................................................................................... 1
1.3. Metod ........................................................................................................................ 1
1.4. Avgränsningar och antaganden ................................................................................. 2
1.5. Disposition ................................................................................................................ 2
2. Vägkonstruktionens uppbyggnad, utformning och funktion ........................................... 3
2.1. Överbyggnaden ......................................................................................................... 3
2.2. Vägens sidoområde ................................................................................................... 6
2.3. Vägdagvatten ............................................................................................................. 8
2.4. Dräneringsvatten ....................................................................................................... 8
2.5. Föroreningsavskiljning .............................................................................................. 8
3. Faktorer som påverkar vägens avvattnings-system ....................................................... 11
3.1. Infiltration................................................................................................................ 11
3.1.1. Faktorer som inverkar på infiltrationsförloppet................................................ 11
3.1.2. Modeller för beräkning av infiltration .............................................................. 13
3.1.3. Hortons ekvation för beräkning av infiltrationsförlopp .................................... 14
3.1.4. Infiltrationskapacitetens återhämtning efter regn ............................................. 16
3.2. Klimat samt jord- och bergarter .............................................................................. 17
3.2.1. Klimat ............................................................................................................... 17
3.2.2. Jord- och bergarter ............................................................................................ 17
4. Dimensioneringsnormer för vägavvattning ................................................................... 19
4.1. Svenska dimensioneringsnormer............................................................................. 19
4.1.1. Dimensionerande flöde i urban mark ............................................................... 20
4.1.2. Dimensionering av dagvattenledningar ............................................................ 23
4.1.3. Dimensionering av diken .................................................................................. 24
4.2. Tyska dimensioneringsnormer ................................................................................ 25
4.2.1. Tidkoefficientmetoden...................................................................................... 25
4.2.2. Dimensionering av vägdike .............................................................................. 26
5. Jämförelse av tyska och svenska dimension-eringsnormer för vägavvattning .............. 29
5.1. Teoretiska skillnader och likheter mellan tyska och svenska
dimensioneringsnormer för vägavvattning..................................................................... 29
5.2. Jämförelse av beräknade flöden med svenska och tyska dimensioneringsmetoder 31
5.2.1. Förutsättningar för jämförelsen – Beskrivning av avrinningsområdet ............. 31
5.2.2. Aktuell väg ....................................................................................................... 33
5.2.3. Aktuellt dike ..................................................................................................... 34
5.3. Teoretisk jämförelse – Beräkningsexempel ............................................................ 35
5.3.1. Beräkningsförutsättningar ................................................................................ 36
5.3.2. Beräkningsgång samt resultat för 1 års återkomsttid utifrån svensk
dimensioneringsmetod ................................................................................................ 37
5.3.3. Beräkningsgång samt resultat för 1 års återkomsttid utifrån tysk
dimensioneringsmetod ................................................................................................ 38
5.3.4. Resultat från beräkning med 10 och 100 års återkomsttid ............................... 39
5.3.5. Kommentar till beräkningsexempel.................................................................. 40
5.3.6. Beräkning av vattendjup i diken utifrån erhållna flöden .................................. 43
5.3.7. Kommentarer till vattendjup i respektive dike ................................................. 45
5.3.8. Ledningskapacitet ............................................................................................. 45
5.4. Praktisk jämförelse – Fältundersökning .................................................................. 47
5.4.1. Nederbördsmätning .......................................................................................... 47
5.4.2. Flödesmätning .................................................................................................. 48
5.4.3. Resultat av fältundersökning ............................................................................ 48
6. Studie av Hortons ekvation ............................................................................................ 51
6.1. Studie av infiltrationsförlopp med Hortons ekvation .............................................. 51
6.2. Jämförelse mellan Hortons ekvation och infiltration i tyska och svenska
dimensioneringsnormer .................................................................................................. 54
6.2.1. Infiltrationskapacitetsvärden i de svenska och tyska dimensionerings-normerna
.................................................................................................................................... 54
6.2.2. Jämförelse av Hortons ekvation med beräknade infiltrationskapaciteter enligt
svenska och tyska normer ........................................................................................... 56
6.2.3. Kommentarer till jämförelsen av Hortons ekvation med beräknade
infiltrationskapaciteter enligt svenska och tyska normer ........................................... 58
7. Rationella metoden ........................................................................................................ 59
7.1. Ingående parametrar i Rationella metoden.............................................................. 61
7.1.1. Konsekvenser av antaganden i Rationella metoden ......................................... 62
7.2. Alternativ till Rationella metoden ........................................................................... 66
7.2.1. Alternativ Rationell metod ............................................................................... 66
7.2.2. Andra metoder för beräkning av specifik avrinning ......................................... 66
8. Analys ............................................................................................................................ 69
8.1. Skillnader och likheter mellan svenska och tyska dimensionerings-normer .......... 69
8.2. Analys av resultat från beräkning av dimensionerande flöden i diken ................... 70
8.3. Studie av Hortons ekvation ..................................................................................... 70
8.4. Studie av Rationella metoden .................................................................................. 71
8.4.1. Skillnader och likheter i klimat samt jord- och bergarter mellan Sverige och
Tyskland ..................................................................................................................... 72
9. Förslag till ny metod för beräkning av dimensionerande flöde i vägdiken ................... 73
9.1. Kommentarer till föreslagen metod för beräkning av dimensionerande flöde i
vägdiken ......................................................................................................................... 75
10. Slutsatser ...................................................................................................................... 77
11. Framtida studier ........................................................................................................... 79
Referenser .......................................................................................................................... 81
Bilagor................................................................................................................................ 85
1. Inledning
1.1. Bakgrund
Trafikverket arbetar för närvarande med att uppdatera de svenska dimensioneringsnormerna för vägavvattning, där inspiration hämtas från motsvarande normer i Tyskland.
Enligt Trafikverket är det troligt att de tyska dimensioneringsnormerna bättre tar hänsyn
till de verkliga avrinningsförhållandena än de svenska. Detta examensarbete utgör ett led i
arbetet med att undersöka Trafikverkets antaganden.
Dimensioneringsmetoderna för vägavvattning används för att ta fram dimensionerande
flöde för att bestämma ledningsdimension eller dikesdimension i ett specifikt avrinningsområde. I dimensioneringsmetoderna tas hänsyn till en rad faktorer, exempelvis markytans textur och lutningar i avrinningsområdet, som är avgörande för avrinningen i
området. Dessa faktorer skiljer sig dock mellan metoderna som används i Sverige och
Tyskland. Ett annat problem är att det inte tydligt framgår i dimensioneringsnormerna vad
valet av de olika faktorerna i normerna grundar sig på.
Förhoppningen med denna rapport är att väcka intressanta frågor som ett led i processen
med att uppdatera de svenska dimensioneringsnormerna.
1.2. Syfte
Syftet med examensarbetet är att, genom att jämföra svenska och tyska dimensioneringsnormer för vägavvattning samt studier av Rationella metoden och Hortons ekvation, ge
förslag på hur de svenska dimensioneringsnormerna kan förbättras.
Följande frågeställningar skall besvaras med hjälp av studien:
1. Vilka skillnader och likheter finns mellan de svenska och tyska dimensioneringsnormerna för vägavvattning?
2. Vilken dimensioneringsnorm, av de svenska och tyska, är mest korrekt?
3. Är det möjligt att ta fram en mer rättvisande norm utifrån kunskap om de svenska
och tyska normerna? Vilka delar är de bästa, med hänsyn till verkliga
förhållanden, i de två normerna och kan därmed användas vid en eventuell
framtagning av en mer rättvisande norm?
1.3. Metod
De svenska och tyska dimensioneringsnormerna jämfördes för att visa på skillnader och
likheter med hänsyn till olika parametrar för framtagning av dimensionerande flöde i
diken. Väsentlig information om bland annat infiltrationsförloppet samlades in i en omfattande litteraturstudie för att ligga till grund för analysen.
Studien baserades på såväl praktiska som teoretiska jämförelser mellan de två normerna
och kompletterades med beräkningar. Den praktiska jämförelsen gick ut på att mäta flödet
i ett dike längs med Yttre Ringvägen i Malmö med hjälp av en flödesmätare i den
uppsamlande ledningen. Uppmätta flöden jämfördes sedan med beräknade flöden i
samma diken, där både de svenska och tyska dimensioneringsnormerna användes som
1
utgångspunkt för dessa beräkningar. Vid den teoretiska jämförelsen studerades de
svenska och tyska dimensioneringsnormerna och likheter och skillnader noterades.
Utöver jämförelsen av Sveriges och Tysklands dimensioneringsnormer för vägavvattning
studerades även Rationella metoden och Hortons ekvation där den senare är vanligt
använd för att illustrera infiltrationsförloppet i en specifik jord. Rationella metoden valdes
då den är den främsta metoden för framtagning av dimensionerande flöde i urban mark i
Sverige. Vidare finns den representerad i både de svenska och tyska dimensioneringsnormerna för vägavvattning. Studien av Rationella metoden och Hortons ekvation gjordes
för att kunna ta fram förslag på förbättringar till en ny svensk dimensioneringsmetod med
både Sveriges och Tysklands nuvarande dimensioneringsnormer som utgångspunkt.
1.4. Avgränsningar och antaganden
Examensarbetet är avgränsat till analys av svenska och tyska dimensioneringsnormer för
vägavvattning där studien begränsats till Rationella metoden i de svenska dimensioneringsnormerna. Vid studier av tyska dimensioneringsnormer har endast dimensionering
av gräsklädda vägdiken undersökts. Vid jämförelsen av de två normerna och vid framtagning av förslag till en ny dimensioneringsmetod låg fokus på infiltration.
I studien har endast ett avrinningsområde undersökts, vilket ligger längs med Yttre Ringvägen i Malmö.
1.5. Disposition
Kapitel 2, Vägkonstruktionens uppbyggnad, utformning och funktion, behandlar vägkonstruktionens uppbyggnad och avvattningssystem och i kapitel 3, Faktorer som
påverkar vägens avvattningssystem, beskrivs några av de viktigaste förutsättningarna för
utformningen av vägkonstruktionen. De faktorer som tas upp i kapitlet är infiltration,
klimat samt jord- och bergarter.
Kapitel 4, Dimensioneringsnormer för vägavvattning, ger en sammanfattning av de
svenska och tyska dimensioneringsnormerna för framtagning av dimensionerande flöden.
Häri ligger fokus på Rationella metoden i de svenska dimensioneringsnormerna och
Tidkoefficientmetoden i de tyska dimensioneringsnormerna.
I kapitel 5, Jämförelse av tyska och svenska dimensioneringsnormer för vägavvattning,
görs en jämförelse av den svenska beräkningsmetoden Rationella metoden och den tyska
beräkningsmetoden Tidkoefficientmetoden. Jämförelsen är baserad dels på beskrivningen
av normerna i kapitel 4 och dels på beräknade flöden med de tyska och svenska dimensioneringsmetoderna. I kapitlet presenteras även en fältstudie där uppmätta flöden i ett
avrinningsområde jämfördes med beräknade flöden.
I kapitel 6, Studie av Hortons ekvation, studeras Hortons ekvation och en jämförelse av de
svenska och tyska dimensioneringsmetodernas sätt att ta hänsyn till infiltration med
Hortons beskrivning av infiltrationsförloppet presenteras. I kapitel 7, Rationella metoden,
görs en fördjupad studie av Rationella metoden.
En analys av samtliga erhållna resultat görs i kapitel 8, Analys, och i kapitel 9, Förslag till
ny metod för beräkning av dimensionerande flöde i vägdiken, följer ett förslag till en ny
beräkningsmetod för framtagning av dimensionerande vägdagvattenflöde. I kapitel 10
presenteras Slutsatser och idéer och riktlinjer för Framtida studier ges i kapitel 11.
2
2. Vägkonstruktionens uppbyggnad, utformning
och funktion
Vägkonstruktionen innefattar vägens överbyggnad, underbyggnad och avvattningssystem,
se figur 2.1. Överbyggnaden har som främsta uppgift att ta emot och fördela de laster som
vägen utsätts för. Undergrunden är materialet som finns i marken in situ och underbyggnaden utgörs av utfylld jord- eller bergmassa.
Figur 2.1. Vägkonstruktion (Trafikverket, 2011a).
Vägkonstruktionen ska dimensioneras och utformas enligt Trafikverkets tekniska krav.
De tekniska kraven som gäller för vägens överbyggnad och dess avvattningssystem finns
i Trafikverkets publikation TRVK Väg (Trafikverket, 2011a). Vägkroppen dimensioneras
med hänsyn till dimensionerande trafikbelastning, risken för tjällyftning, klimat samt
vilka material som finns i vägens undergrund. För att vägkonstruktionen ska bibehålla
sina hållfasthetsegenskaper måste vägdagvatten ledas bort från vägytan och därför måste
ett avvattningssystem för vägen finnas. Krav på avvattningssystemet är att anordningen
ska samla upp och leda bort dagvatten från vägen så att översvämning, skadlig
grundvattensänkning och skada på dränering inte uppstår (Trafikverket, 1994). En
beskrivning av vägkonstruktionen och dess principiella uppbyggnad för svenska
förhållanden följer nedan.
2.1. Överbyggnaden
Det finns olika typer av överbyggnader och de tre huvudkategorierna är styva, flexibla
och halvstyva överbyggnader. I princip utgörs en överbyggnad av ett slitlager och/eller ett
bindlager, ett bundet bärlager, ett obundet bärlager, ett förstärkningslager samt ett
skyddslager. Skillnaden på de olika typerna av överbyggnader är att de flexibla består av
enbart obundna material eller obundna material med inslag av bitumen medan styva
överbyggnader har ett eller flera hydrauliskt bundna materiallager. Hydrauliskt bundet
material är till exempel cementbundet grus och hydrauliskt bundet betyder att partiklarna
är bundna till varandra genom kemiska föreningar (Hansson & Palm, 2008). De
halvflexibla överbyggnaderna är blandningar av de föregående typerna. Exempel på en
flexibel respektive styv överbyggnad ses i figurerna 2.2 samt 2.3.
3
Figur 2.2. Flexibel överbyggnad, grusbitumenöverbyggnad, GBÖ (Trafikverket, 2009).
Enhet i mm.
Figur 2.3. Styv överbyggnad, betongöverbyggnad med cementbundet bärlager, BÖ/CG
(Trafikverket, 2009). Enhet i mm.
4
Slitlagret består av asfalt och/eller cementbetong och detta lager ska ge vägen goda
köregenskaper och hindra att vatten infiltrerar ner i vägkroppen. Under slitlagret ligger ett
bundet bärlager och eventuellt ett bindlager och dessa bitumenbundna lager ska öka
stabiliteten i vägöverbyggnaden. Bärlagret i överbyggnaden utformas som ett bundet och
ett obundet lager och bärlagret har till uppgift att ta upp laster och fördela dem vidare till
föstärkningslagret och terrassen (Hansson & Palm, 2008).
De obundna materiallagrena i överbyggnaden utgörs av krossad och sorterad sprängsten,
morän eller naturgrus. Att ett lager är obundet betyder att inga tillsatser är gjorda till
materialet (Hansson & Palm, 2008). I en flexibel överbyggnad ska de obundna lagren ha
en total tjocklek på minst 500 mm och motsvarande för de styva överbyggnaderna är 300
mm (Trafikverket, 2007). Förstärkningslagret ska förstärka undergrunden och även verka
som ett dränerande lager. Dräneringsvatten i förstärkningslagret ska föras vidare till
vägens avvattningssystem. Under förstärkningslagret läggs ibland ett skyddslager som
utgörs av krossat berg med hög hållfasthet. Skyddslagret ska hindra att ojämn tjällyftning
uppstår i vägkonstruktionen (Strandahl, 2010). Terrassytan utgör gränsen mellan överbyggnaden och underbyggnaden och/eller undergrunden. Terrassen ska kompakteras och
jämnas ut innan överbyggnaden läggs på.
Vägen kantas av en obunden stödremsa som utgör gränsen mot vägslänten. Stödremsan i
vägens kant ska efter packning ha samma tjocklek som de bundna lagrens tjocklek.
Stödremsan ska ligga i nivå med vägens yta och beroende på tjockleken av de bundna
lagren ska stödremsan göras i ett eller två lager. Stödremsan ska vara mellan 0,25-0,5 m
bred vid en släntlutning på upp till 1:3, se figur 2.4 nedan. Vid en brantare släntlutning
krävs oftast räcke intill vägbanan och då ska stödremsan ha en bredd på 0,5 m eller mer
(Trafikverket, 2005).
Figur 2.4. Släntlutning och bredd för stödremsa (Trafikverket, 2005).
5
2.2. Vägens sidoområde
Gränsen mellan vägkroppen och omgivande miljö utgör vägens sidoområde och det är
mycket vanligt att sidoområdet utformas med vägdiken, se figur 2.5 nedan. Sidoområdets
primära uppgift är att säkerställa att vägkonstruktionens bärighet upprätthålls, erbjuda en
förlåtande trafikmiljö samt att tjällyftning i vägkroppen undviks. Andra funktioner som
diket ska uppfylla är att minska spridningen av föroreningar från vägen, fungera som
snöupplag, skapa bättre siktförhållanden, skydda mot vilt och skapa plats för ledningar
och vägskyltar. För att upprätthålla detta syfte krävs att diket utformas och underhålls på
rätt sätt (Vägverket, 2003). Beroende på om vägen ligger i skärning eller på bank ser
sidoområdet olika ut (se figur 2.5). Väg i skärning innebär att omgivande mark ligger
högre än vägen och vid väg på bank är det vägen som ligger högre än intilliggande
omgivning.
Figur 2.5. Vägens sidoområde; väg i skärning (till vänster) respektive väg på bank (till
höger) (Vägverket, 2003).
För att säkerställa att bärigheten och tjältåligheten i vägkroppen upprätthålls är det av stor
betydelse att vägytan avvattnas och överbyggnaden dräneras på ett effektivt sätt. Vatten
på vägbanan kan bland annat ge upphov till översvämning, skador på dränering och
vattenplaning och en dåligt dränerad överbyggnad resulterar i försämrad bärighet i
överbyggnaden (Vägverket, 2003). Avvattningen av vägytan kan säkerställas med ett vägdike i sidoområdet dit vatten leds och tillåts infiltrera ned genom marken till grundvattnet
eller uppsamlingsledningar. Ledningarna leder därefter vattnet vidare till recipienter. En
tillfredsställande dränering av vägens överbyggnad och terrass kan också säkras med ett
vägdike. En studie utförd av Rushton (2001), visar på hur effektiva diken intill asfalterade
ytor kan vara, där 30 % mindre ytavrinning uppmätts på en viss yta med dike gentemot
motsvarande yta utan dike.
Dikets funktion beror på hur det placeras i förhållande till vägkroppen och de vanligaste
typerna av vägdiken är skärningsdike, grunt dagvattendike och täckt dike, se figur 2.6. Ett
skärningsdike syftar till att avvattna vägytan och dränera vägkroppen. Dikesbotten ska
ligga på ett djup av 0,3 m under terrassytan. Det grunda dagvattendiket är placerat på ett
djup av 0,5 m under vägytan och syftet med detta dike är att avvattna vägen och de
omgivande ytorna. Ett täckt dagvattendike ska liksom det grunda dagvattendiket avvattna
vägens yta och dräneringen av terrassen görs då med dräneringsledningar. Dränering av
6
vägkonstruktionen behövs inte i de fall då undergrunden består av dränerande material
och grundvattenytan ligger mer än 1 m under terrassytan (Vägverket, 2003).
Figur 2.6. De vanligast förekommande dikestyperna; skärningsdike, grunt dagvattendike
samt täckt dike (Vägverket, 2003).
För att upprätthålla en god avrinning i diket ska längslutningen vara minst 5 ‰ och diket
ska även vara gräsbeklätt för att förhindra att material i diket eroderas bort och ansamlas
på dikesbotten. I de fall då täckmaterialet i diket är tätt med dålig dränerande förmåga ska
slitsar av dränerande material skära igenom täckmaterialet med jämna mellanrum, se figur
2.7. Släntlutningarna i diket ska vara på 1:3 eller flackare, detta för att skapa en mer
förlåtande vägmiljö och minska risken för att bilar voltar om de kör av vägen (Vägverket,
2003). Vidare är släntlutningen avgörande för infiltrationsmöjligheterna i slänten.
7
Figur 2.7. Dränerande slitsar i dikets täckmassor (Vägverket, 2003).
Det är viktigt att vägavvattningen fungerar väl och på ett vägavvattningssystem ställs
dessutom krav på att vatten som lämnar vägområdet är rent och att flödestoppar och
flödesvolymer reduceras i dagvattensystemet (Billberger, 2013). Ett avvattningssystem
för väg utformas olika beroende på förutsättningarna på plats men de generella kraven är
att mängden vatten på vägytan aldrig får överstiga ett djup på 5 mm, samt att ledningar
och diken är dimensionerade enligt VVMB 310 Hydraulisk dimensionering (Vägverket,
2008.). Vägens avvattningssystem ska ta hand om två olika typer av vatten; vägdagvatten
och dräneringsvatten.
2.3. Vägdagvatten
Dagvatten är det vatten som förekommer tillfälligt och rinner av från mark och
konstruktion. Vägdagvatten i sin tur definieras som det dagvatten som uppstår på vägytan
och andra hårdgjorda ytor inom vägområdet. Karaktäristiskt för vägdagvatten är att det
ofta förekommer under korta perioder i stora volymer (Trafikverket, 2011b). Vägdagvattnet rinner av från vägytan till diken i vägens sidoområden och därefter leds vattnet
vidare till recepienten.
2.4. Dräneringsvatten
Dräneringsvatten är markvatten som rinner till ett dräneringssystem från vägområdets
omkringliggande ytor och från material i vägkroppen. I regel är det förekommande flödet
av dräneringsvatten i vägområdet jämnare än flödet av dagvatten (Trafikverket, 2011b).
Dränering av undergrund och underbyggnad görs i det fall då grundvattenytan ligger för
nära terrassytan och beroende på tjäldjup, jordtryck och flödesvolymer bestäms
ledningarnas läggningsdjup och dimensioner (Trafikverket, 2011a).
Djupdränering kan användas i en vägkonstruktion för att reglera grundvattenytan samt
reglera mängden vatten i vägkonstruktionen. Främst används djupdräneringen i fall där
vägen ligger under markytan, i så kallad jordskärning, samtidigt som grundvattenytan
ligger högt i marken. Den höga grundvattenytan tillför vatten till vägkonstruktionen och
försämrar därmed dess beständighet. Genom att installera djupdränering i ett sådant fall,
sänks grundvattenytan och mängden vatten i vägens överbyggnad reduceras. Dock måste
djupdräneringen regelbundet underhållas, för att dess effektivitet ska bibehållas (Hansson,
Hellman, Svensson & Enkell, 2012).
2.5. Föroreningsavskiljning
Förutom att ta hand om vatten från vägyta och dräneringsvatten från vägkropp och
undergrund ska vägavvattningssystemet utformas så att föroreningar som följer med
vägdagvattnet renas innan de når recipient och grundvatten (Trafikverket, 2011b). Grund8
vattenytan bör ligga på ett avstånd av minst 0.5 m under markytan inom områden där
dagvatten tillåts infiltrera (VAV, 1983). Anledningen till detta är att föroreningsspridning
till grundvattnet ska minimeras.
Enligt studier som gjorts är den största delen av vägföroreningarna luftburna och avsätts
normalt inom 10-20 m från vägbanan. I de fall där vägdagvatten tillåts avrinna till vägens
sidoområde infiltrerar vanligtvis vattnet direkt utanför den hårdgjorda ytan och perkolerar
sedan vidare ner till grundvattnet. Av de föroreningar som då följer med vägdagvattnet
fastläggs största delen i dikets innerslänt. Om vägdagvattnet leds direkt via brunnar till
ledningar följer föroreningarna med ner i ledningssystemet. De vanligaste anläggningarna
för rening av vägdagvatten i Sverige är öppna diken, svackdiken, konstruerade dammar,
översilningsytor och sedimentations- eller fördröjningsmagasin. Hur dessa reningsanläggningar utformas beror på hur känslig recipienten är för föroreningar, hur tillgänglig
anläggningen är för skötsel och underhåll, hur höga halterna av föroreningar är samt
faktorer som ekonomi, estetik och hydrauliska motiv (Trafikverket, 2011b).
9
10
3. Faktorer som påverkar vägens avvattningssystem
Vägens uppbyggnad och dess utformning styrs av krav på bärighet, beständighet och
trafiksäkerhet och några av de viktigaste förutsättningarna för utformningen av vägens
avvattningssystem är kännedom om infiltrationskapaciteten i vägens sidoområden, klimat
samt berg- och jordarter. Klimatet styr beständigheten för materialen i vägen och också
vilka nederbördsmängder vägens avvattningssystem ska dimensioneras för. Vilka bergoch jordarter som finns i vägområdet styr exempelvis infiltrationskapaciteten i vägens
sidoområde.
3.1. Infiltration
Vägens sidoområden har i uppgift att bland annat säkerställa att vägkonstruktionens
bärighet upprätthålls och detta görs genom att tillåta vägdagvatten att infiltrera i dikena.
Här spelar infiltrationsförloppet en viktig roll för hur mycket av vägdagvattnet som
verkligen tillåts att infiltrera. Faktorer som är avgörande för infiltrationen kan till exempel
vara vegetation, typ av jordart samt lutningen på dikenas slänter. Större kornfraktioner i
jorden, en välvegeterad yta, låg jordfuktighet samt ett uppluckrat övre skikt är faktorer
som bidrar till en hög infiltrationskapacitet (Fetter, 2001 samt Deletic, 2001), medan en
kompakt jordyta, frost och igensatta porer i jordytan reducerar infiltrationskapaciteten
(Ward & Robinson, 2000).
Ordet infiltration står för den process då vatten tränger ner i marken genom jordytan.
Vidare anger infiltrationskapaciteten den maximala kapacitet jorden har att absorbera
vatten medan infiltrationshastigheten är ett mått på hur stor del av nederbörden som
faktiskt absorberas av jorden (Ward & Robinson, 2000).
3.1.1. Faktorer som inverkar på infiltrationsförloppet
Typ av jordart
Infiltrationskapaciteten i ett dike beror till stor del av underliggande jordarters
egenskaper, som till exempel hydraulisk konduktivitet vilket är ett mått på vattengenomsläppligheten i olika jordlager. Undersökningar av infiltration i vägslänter visar att
den största delen av vägdagvattnet infiltrerar i stödremsan istället för i slänten då diket i
huvudsak består av lera, medan diken uppbyggda av sand har en större infiltration i
dikesslänten än i stödremsan (Paulsson, 2008). Vidare visar simuleringar av infiltration i
översilningsytor att sand är att föredra framför lera då sand har en högre konduktivitet
vilket tillåter en högre infiltration genom jordarten. Dock syns ingen skillnad i infiltration
mellan sand och morän enligt Valtersson (2010) medan värdena i tabell 3.1 visar på en
tydlig skillnad mellan dessa jordartstyper. I tabell 3.1 visas hydraulisk konduktivitet och
infiltrationskapacitet för kornstorlekarna grus, sand, silt, lera och morän. Enligt tabellen
har kornstorleken grus bäst förmåga att släppa igenom vatten medan en jord innehållande
lera har en väldigt låg vattengenomsläpplighet. Bäst infiltrationskapacitet har sand (VAV,
1983).
11
Tabell 3.1. Värden på hydraulisk konduktivitet och infiltrationskapacitet hos olika kornstorlekar (VAV, 1983 samt Butler & Davies, 2004).
Kornstorlek
Grus
Sand
Silt
Lera
Morän
Hydraulisk konduktivitet
(m/s)
10-3 – 10-1
10-5 – 10-2
10-9 – 10-5
< 10-9
-10
10 – 10-6
Infiltrationskapacitet
(mm/h)
25-250
32
8
1
20
Förutom jordarternas egenskaper beror infiltrationskapaciteten även på om jorden är torr
eller blöt då infiltration inträffar. En torr jord har en högre infiltrationskapacitet, medan
en blöt jord har en lägre infiltrationskapacitet. Detta kan förklaras med att de kapillära
krafter som drar vattnet ner i marken minskar då fukthalten i jorden ökar, vilket resulterar
i en minskad infiltrationskapacitet. På så sätt minskar infiltrationskapaciteten ju mer
vatten som infiltrerar och slutligen nås ett jämviktsläge då infiltrationskapaciteten antar
ett konstant värde (Fetter, 2001).
Vegetation
Enligt Deletic (2001) har gräs i diken en inverkan på infiltrationsförloppet genom att den
höga friktion som gräsets struktur bidrar med leder till att vattnet får en lägre hastighet i
diket och därmed tillåts att infiltrera. Vegetationen som sänker vattnets hastighet hjälper
även till att göra diket mer motståndskraftigt mot erosion (VAV, 1983). Vidare bidrar
vegetationen till att stabilisera lösa partiklar samt luckra upp jorden så att den blir mer
porös, vilket kan bidra till en ökad infiltrationskapacitet (Ward & Robinson, 2000).
Typen av vegetation i diken visar sig också ha en viss betydelse för infiltrationsförloppet,
enligt simuleringar från Valtersson (2010). Simuleringarna tyder på att infiltrationsförloppet är detsamma oavsett om vegetationen är av typen gräsmatta eller äng. Däremot
visar resultaten att vegetation som består av en blandning av gräs, buskar och träd ger en
skillnad i infiltrationsförloppet jämfört med endast gräs eller endast äng, då en del av
nederbörden fastnar i trädens och buskarnas lövverk och avdunstar innan det når marken
och kan infiltrera. Träd och buskar bidrar därigenom till en minskad belastning i dikena,
men kan även indirekt ha en negativ inverkan på infiltrationsförloppet då de skuggar det,
ur infiltrationssynpunkt, effektiva gräset och skugga förhindrar att gräset växter. Vidare är
träd och buskar ej lämpliga i vägens sidoområden ur trafiksäkerhetssynpunkt och därmed
kan gräs eller äng anses vara den mest lämpliga typen av vegetation i vägdiken.
Släntlutning
Ur infiltrationssynpunkt är flacka släntlutningar att föredra, då en större mängd vatten
tillåts infiltrera här på grund av en sänkt vattenhastighet. Detta kan jämföras med brantare
släntlutningar som leder till en ökad hastighet hos vattnet nedför slänten och därmed en
minskad uppehållstid i slänten (Clar, Barfield & O`Connor, 2004).
12
Vägdagvattnets flödesvägar
Studier från Hansson, Lundin & Simunek (2005) samt Paulsson (2008) visar att vägdagvatten till största delen infiltrerar i stödremsan intill vägens asfaltkant. Även innerslänten
i diket kan ta emot vägdagvatten, dock når vägdagvattnet väldigt sällan ner till dikesbotten (Paulsson, 2008).
Den genomsläppliga stödremsan förblir dock inte genomsläpplig en längre tid då den
relativt snabbt sätts igen av olika partiklar och transformeras till en tät yta. Därmed
minskar infiltrationen i stödremsan, med en ökad infiltration i innerslänten som följd
(Trafikverket, 2011c).
3.1.2. Modeller för beräkning av infiltration
Det finns ett flertal modeller för beräkning av infiltrationsförlopp och modeller som är
vanligt förekommande är bland annat Richards ekvation (ekvation 1) som är en
fysikaliskt baserad modell, Hortons ekvation som är en simplifierad empirisk modell samt
approximerade fysikaliskt baserade modeller så som Philips ekvation samt Green och
Ampts ekvation. Fysikaliskt baserade modeller är grundade på Richards ekvation som
beskriver hur vatten flödar i den omättade zonen. Flödet av vatten i den omättade zonen
beror på den hydrauliska konduktiviteten och tryckhöjden som funktion av volymetriska
vatteninnehållet i jorden (Turner, 2006).
Richards ekvation:
där
K = hydraulisk konduktivitet [m/s]
= tryckhöjden [m]
z = höjd över referensnivå [m]
= volymetriskt vatteninnehåll i jord [-]
t = tid [s]
Richards ekvation är en exakt modell för hur vatten flödar i marken men lösningen till
ekvationen måste tas fram numeriskt och relativt stora mängder detaljerad indata krävs
vilket medför att modellen ofta är komplicerad och kostsam att använda (Turner, 2006).
Approximerade fysikaliskt baserade modeller bygger på fysikalisk teori men modellerna
är begränsade och gäller under särskilda villkor. Philips ekvation och Green och Ampts
ekvation är exempel på approximerade fysikaliskt baserade modeller. Dessa modeller
gäller exempelvis under förutsättning att marken är vattenmättad vid tidpunkten då
infiltrationsförloppet startar, modellerna är begränsade till att gälla för homogena jordar
och under förutsättning att vattenflödet genom marken är jämnt (Turner, 2006).
Hortons ekvation är en vanligt använd infiltrationsmodell och därför kommer den att
presenteras mer detaljerat. Ekvationen är en empirisk modell och bygger därför på att
värden på parametrarna i ekvationen bestäms efter uppmätt infiltrationsdata (Turner,
2006).
13
3.1.3. Hortons ekvation för beräkning av infiltrationsförlopp
Hortons ekvation beskriver infiltrationskapaciteten i en jord som funktion av tiden (se
ekvation 2). Enligt ekvationen avtar infiltrationskapaciteten exponentiellt med tiden tills
dess att jordens övre lager är vattenmättat. Hortons ekvation kan användas för att ta fram
infiltrationskapacitetskurvor för att beskriva infiltrationsförloppet.
där
= infiltrationskapaciteten vid tiden t [mm/h]
= mättad infiltrationskapacitet [mm/h]
= infiltrationskapaciteten vid tiden t = 0 [mm/h]
= en konstant som beskriver hur infiltrationskapaciteten minskar [1/h]
= tiden som förflutit sedan infiltrationens början [h]
Ett viktigt samband är det mellan nederbördsintensitet och mättad infiltrationskapacitet,
där all nederbörd som når markytan infiltrerar då nederbördsintensiteten understiger den
mättade infiltrationskapaciteten (figur 3.1.A). Är däremot nederbördsintensiteten högre än
den mättade infiltrationskapaciteten, men dock lägre än infiltrationskapaciteten från
början kommer all nederbörd att infiltrera fram till dess att infiltrationskapaciteten
minskar och blir lägre än nederbördsintensiteten (figur 3.1.B). Därefter infiltrerar inte
vattnet utan stannar på markytan. Vid häftiga regn då nederbördsintensiteten överstiger
den initiala infiltrationskapaciteten hinner inte vattnet infiltrera utan samlas direkt på ytan
och kan bilda ytavrinning (figur 3.1.C). De tre ovan nämnda situationerna illustreras i
figur 3.1 (Fetter, 2001).
Figur 3.1. Samband mellan nederbördsintensitet (heldragen linje) och infiltrationskapacitet (streckad linje). A – Nederbördsintensiteten understiger infiltrationskapaciteten. B – Nederbördsintensiteten överstiger infiltrationskapaciteten vid jämvikt men
understiger den initiala infiltrationskapaciteten och ytavrinning bildas. C – Nederbördsintensiteten överstiger infiltrationskapaciteten och ytavrinning bildas (bild av
Veronica Gullstrand enligt Fetter (2001)).
14
Olika referenser definierar parametrarna i Hortons ekvation på olika sätt. För några olika
referenser anges deras påståenden om parametrarna, fc, β och f0 i Hortons ekvation.
Butler & Davies (2004) och Fetter (2001)
Enligt Butler & Davies (2004) och Fetter (2001) har den mättade infiltrationskapaciteten,
fc, ett konstant och specifikt värde för varje jordart. I dessa referenser kommenteras inte
parametrarna β och f0.
Wilson (1990)
Wilson (1990) menar att fc inte är konstant utan varierar för samma jordartstyp med
markytans textur, markytans lutning, den initiala vattenhalten i jorden samt regnintensiteten. De faktorer som har störst betydelse för variationen av fc är markytans
lutning och regnintensiteten. Lutningen har främst betydelse upp till en gräns vid 16-24
procents lutning varefter betydelsen för variationen i mättad infiltrationskapacitet
minskar. Regnintesiteten påverkar också värdet på fc då en ökande regnintensitet leder till
att det hydrostatiska trycket på porer i markytan blir större. Detta resulterar i sin tur i att
flödet genom markytan blir större. Infiltrationskapaciteten ökar med regnintensiteten tills
dess att ytavrinning från markytan motverkar ett ökat hydrostatiskt tryck på porerna i
markytan (Wilson, 1990).
Infiltrationskapacitetens avtagande styrs av parametern och enligt Wilson (1990) är den
största påverkande faktorn på parametern β markytans textur, där en vegeterad markyta
ger ett lägre värde på parametern än en yta med jämnare textur. β varierar enligt Wilson
(1990) inte märkbart med lutning och regnintensitet i området.
Parametern f0 som representerar infiltrationskapaciteten i jorden vid tidpunkten för
infiltrationsförloppets start beror liksom fc på jordtyp samt markytans textur. Värdena på
fc och f0 ökar med ökad kornstorlek i jorden och parametervärdena är också högre för
vegeterade markytor än för markytor utan vegetation (Wilson, 1990). Enligt Wilson
(1990) är värdena på parametrarna β och f0 relativt konstanta för en specifik jordart.
McCuen (2005)
McCuen (2005) menar att den mättade infiltrationskapaciteten (fc) inte är konstant utan
varierar med markytans textur och avrinningsområdets lutning, där vegeterade ytor ger
högre värden på fc. Enligt McCuen är det svårt att redovisa typvärden för parametern fc då
den kan variera mellan 0,01 och 2 tum/h. Liksom parametern fc, kan parametern β också
variera inom ett brett intervall, från mindre än 1 h-1 upp till mer än 20 h-1. Värdet på
parametern f0 vara så mycket som 3 till 5 gånger större än fc (McCuen, 2005).
Turner (2006)
Parametern bestäms enligt Turner (2006) av jordens egenskaper, som till exempel den
initiala volymetriska vattenhalten, men även av regnintensiteten. I denna referens
kommenteras inte parametrarna fc och f0.
15
fc, β och f0 måste bestämmas från uppmätt infiltrationsdata. Om värden på parametrarna fp
och fc mätts upp kan β och f0 bestämmas genom följande tillvägagångssätt (Turner, 2006):
1. Utgå från Hortons ekvation och subtrahera fc i höger- och vänsterledet och tag
därefter den naturliga logaritmen av båda leden, se ekvation 2a.
2. Ekvationen motsvarar nu ekvationen för en rät linje och denna ska plottas som
funktion av tiden.
3. I den resulterande grafen motsvarar lutningen på kurvan värdet på β och f0
motsvarar värdet på fp vid tiden t = 0.
Förutsättningar i Hortons ekvation
Hortons ekvation representerar de grundläggande lagarna om markens fysikaliska
egenskaper och processer. Med värden på parametrarna i Hortons ekvation som beräknats
ur aktuell data för en jordtyp medför detta att Hortons ekvation ger en god bild av hur
infiltrationsförloppet varierar med tiden. Dock gäller Hortons ekvation bara under
följande förutsättningar (Turner, 2006):
Värden på parametrar i ekvationen är uppmätta för aktuella förhållanden
Regnintensiteten överskrider infiltrationskapaciteten.
Det är dock av vikt att poängtera att olika referenser definierar detta villkor för
Hortons ekvation olika. Enligt Butler och Davies (2004) ska regnintensiteten
överskrida den mättade infiltrationskapaciteten (fc) medan McCuen (2005) hävdar
att regnintensiteten ska överskrida infiltrationskapaciteten vid en viss tid (fp).
Ekvationen speglar förändringar i markytan men tar inte hänsyn till flödesförändringar i marken
3.1.4. Infiltrationskapacitetens återhämtning efter regn
Efter ett regntillfälle återgår infiltrationskapaciteten långsamt till den ursprungliga, f0.
Dock finns det idag ingen allmänt använd ekvation som beskriver detta förlopp men i
McCuen (2004) presenteras ett förslag på en sådan ekvation, se ekvation 3.
där
fr = infiltrationskapaciteten (f) vid tiden t´
f0 = infiltrationskapaciteten i jorden då regnet upphör
Kr = återhämtningskoefficienten
t´ = tiden mätt från det att regnet upphört
Resultat från denna ekvation visar på att infiltrationskapacitetens återhämtning i en jord
tar längre tid än det tar för infiltrationskapaciteten att minska i samma jord under ett
regntillfälle. Dock kan denna ekvation endast användas då infiltrationskapaciteten tillåts
att återhämta sig helt och gäller ej då ett nytt regn faller innan infiltrationskapaciteten
16
hunnit återgå till den ursprungliga innan det första regnet föll. Vid en sådan händelse
måste värdet på t modifieras för att infiltrationskapaciteten ska kunna bestämmas.
Ytterligare en begränsning för ekvation 3 är att den endast gäller då regnintensiteten
överstiger infiltrationskapaciteten. Om så inte är fallet, kommer förlusterna att
underskattas och avrinningen bli större än den egentliga om ekvation 3 skulle använts vid
ett sådant tillfälle. Därför krävs ett annat samband för tillfällen då regnintensiteten
underskrider infiltrationskapaciteten.
3.2. Klimat samt jord- och bergarter
Klimat samt jord- och bergarter är faktorer som också kan anses ha en inverkan vid
utformning av vägkonstruktionen och framtagning av dimensionerande vägdagvattenflöden. Då det är svenska och tyska dimensioneringsnormer som studeras, är det dessa
länders klimat, jord- och bergarter som beskrivs här.
3.2.1. Klimat
Klimatet i Sverige är nederbördsrikt med nederbörd året om, årsnederbörden ligger på
500-800 mm (SMHI, 2009).
I Sverige råder ett milt klimat under hela vinterhalvåret, men på grund av landets
långsmala form tillhör kustområdena i söder den varmtempererade zonen medan
resterande större delen av landet tillhör den kalltempererade zonen.
Tysklands klimat är tempererat, med milda vintrar och somrar. Västliga vindar bär med
sig nederbörd in över landets västra delar, medan de östra delarna är relativt torra större
delen av året (DWD, 2013). I Tyskland faller i genomsnitt 789 mm nederbörd årligen
(DWD, 2012).
3.2.2. Jord- och bergarter
Sverige kan, enligt figur 3.2.A delas in i fyra större områden ur bergartssynpunkt, där
bergarten gnejs dominerar i område ett. Däremot finns det stora områden i Bohuslän med
granit medan det förekommer skiffrar i Dalsland. Även i område två är det gnejs som
dominerar med inslag av granit. I område tre finns det mestadels granit men även porfyr
och i Mellansverige och Norrland (område fyra) dominerar gnejs och granit. I figur 3.2.A.
framgår det även att det är sedimentära bergarter som dominerar i Skåne (Svensson,
2008).
Jordartstäcket i Sverige är idag tunt, mellan 0-15 m, och domineras av morän
(innehållande alla kornstorlekar). Dock återfinns tjockare jordlager, upp till nästan 200 m
i sydvästra Skåne. I figur 3.2.B. nedan illustreras vilka områden av Sverige som har legat
över (mörkare områden) respektive under högsta kustlinjen (ljusare områden). Detta är av
stor betydelse för jordarternas fördelning i landet, där morän är den dominerande
jordarten över högsta kustlinjen. Därutöver finns här även mossar och kärr, medan
sorterade sediment är begränsade till några få mindre områden. Även under högsta
kustlinjen dominerar moränen tillsammans med kärr och mossar, dock finns här även
stora avlagringar med sorterade sediment (grus- och sandavlagringar) i form av stora
rullstensåsar. Utöver detta förekommer även utbredda ler- och siltavlagringar under
högsta kustlinjen (Svensson, 2008).
17
A.
B.
Figur 3.2. Illustrationer över Sveriges berg- och jordartsfördelning. A. Sverige indelat i
fyra större zoner baserat på dominerande bergarter i området. Den röda färgen
representerar gnejs medan granit framställs med blått. Röda och blåa linjer indikerar att
både granit och gnejs dominerar området medan svarta linjer visar på en dominering av
sedimentära bergarter. Ursprungsbild från Svensson (2008), modifierad av Veronica
Gullstrand 2013. B. Områden över (mörkare skuggat) och under (ljusare skuggat) högsta
kustlinjen i Sverige (Svensson, 2008).
Berggrunden i Tyskland består till allra största delen av sedimentära bergarter, bland
annat mycket kalksten och sandsten. Det finns även mindre inslag av äldre kristallina
bergarter i områden i centrala Tyskland och i ett bälte från väst till öst, cirka 300 km från
tyska gränsen till Alperna, finns områden med vulkaniska bergarter (Moores &
Fairbridge, 1997).
Jordavlagringar i form av morän, grus, sand och lera täcker knappt halva Tysklands areal.
Även lössjord som utgörs av vindavlagrade finkorniga sediment återfinns. Denna jordart
karaktäriseras av dess höga porositet och kalkhaltiga siltinnehåll. De centrala och södra
delarna av Tyskland är bergiga områden med sedimentärt berg som på många ställen går i
dagen (Eckelmann, u.d.).
18
4. Dimensioneringsnormer för vägavvattning
Följande kapitel ger en sammanfattning av de svenska och tyska dimensioneringsnormerna för framtagning av dimensionerande flöden i avrinningsområden. Genomgående i de kapitel som följer görs hänvisningar till de svenska dimensioneringsnormerna
och de tyska dimensioneringsnormerna. De svenska dimensioneringsnormerna är ”VVMB
310 – Hydraulisk dimensionering” (Vägverket, 2008) samt Dimensionering av allmänna
avloppsledningar (Svenskt Vatten P90, 2004). De tyska dimensioneringsnormerna är
”Richtlinien für die Anlage von Strassen” (RAS, 2005).
4.1. Svenska dimensioneringsnormer
De krav som ställs på hanteringen av dagvatten från vägområdet återfinns i dokumentet
VVTK/VVTR Väg. Dimensionering av vägavvattningssystemet ska göras enligt
dokumentet ”VVMB 310 – Hydraulisk dimensionering” där den beräknade
dimensionerande vattenföringen i ett avrinningsområde bestäms. Vidare behandlas, med
avseende på det dimensionerande vattenflödet, dimensionering av trummor, diken,
dränering och dagvattenledningar. VVMB 310 - Hydraulisk dimensionering ska också
användas tillsammans med bland annat dokumenten Dimensionering av allmänna
avloppsledningar (Svenskt Vatten P90, 2004) och Nederbördsdata vid dimensionering
och analys av avloppssystem (Svenskt Vatten P104, 2011) där bland annat
dimensioneringen av ledningar beskrivs mer ingående.
Det dimensionerande flödet från ett avrinningsområde beräknas på två olika sätt beroende
på hur stor andel av avrinningsområdet som består av hårdgjorda ytor; är andelen
hårdgjorda ytor stor definieras området som urban mark medan en liten andel hårdgjorda
ytor definieras som naturmark. En andel på 3,75 % av avrinningsområdets totala storlek
används som gränsvärde mellan urban mark och naturmark (Vägverket, 2008).
Det dimensionerande flödet i naturmark uppstår då vattenmagasin i avrinningsområdet är
fyllda, vilket vanligtvis inträffar under snösmältningsperioden under våren. Även
intensiva sommar- och höstregn kan ge höga flöden då långvariga regn fyllt de naturliga
magasinen. I urban mark är det i regel kraftiga sommarregn som ger de största flödena. I
naturmark ska avvattningsanläggningar i form av broar, diken och trummor
dimensioneras för regn med en återkomsttid på 50 år. I urban mark gäller för motsvarande
anläggningar en återkomsttid för regn på 10 år. I naturmarksberäkningarna avleds
dimensionerande vattenföring direkt till ett vattendrag. I beräkningar för urban mark är
dimensionerande dagvattenflöde avsett att ledas vidare via ledningar till recipient. Inom
urbana områden måste dagvatten tas omhand för att förhindra uppkomsten av oönskade
företeelser såsom till exempel översvämmade vägar (Vägverket, 2008).
Dagvattenavrinningen från ett område bestäms av nederbördens intensitet och
varaktighet. Dagvattenflödet beror också av avrinningsområdets storlek, ytornas
infiltrationskapacitet, lutningarna i området, avrinningsområdets form samt utformning av
bebyggelse i området. Det dimensionerande flödet i naturmark tas fram baserat på
avrinningsområdets storlek och dokumenterad vattenföring i området. I denna rapport
ligger fokus på dimensionering för urban mark och för vidare beskrivning av
dimensionering i naturmark hänvisas till VVMB 310- Hydraulisk dimensionering
(Vägverket, 2008).
19
4.1.1. Dimensionerande flöde i urban mark
Det dimensionerande flödet (l/s) från avrinningsområdet beräknas enligt ekvation 4.
där
= nederbördsintensitet vid vald återkomsttid och regnvaraktighet [l/s km2]
= reducerad area [km2]
Den reducerade arean är arean som bidrar med avrinning i uppsamlingspunkten och den
reducerade arean kan skrivas som produkten av den sammanvägda avrinningskoefficienten () och avrinningsområdets totala area. Avrinningskoefficienten anger hur
stor del av nederbörden som rinner av efter infiltration, avdunstning och växtupptag. I
tabell 4.1 anges avrinningskoefficienterna för olika typer av ytor.
Tabell 4.1. Avrinningskoefficienter för olika typer av ytor (Vägverket, 2008).
Typ av yta
Avrinningskoefficient för upp till 10 års
återkomsttid
0,8
0,2-0,4
Betong/ asfalt/ berg i dagen i stark lutning
Vägslänter beroende på ytbeklädnad och
lutning
Odlad mark/ gräsyta/ ängsmark
0-0,1
Flack, tätbevuxen skogsmark
0,1
Grusplan/ grusad gång, obebyggd
0,2
kvartersmark
För återkomsttid på 100 år ska avrinningskoefficienten för 10 års regn multipliceras med
1,25. Dock får värdet på avrinningskoefficienten inte överstiga 1,0.
Enligt Vägverket (2008) används Dahlströms formel från 1979 med så kallade Z-värden,
regionala parametrar, för framtagning av nederbördsintensiteter för olika återkomsttid och
varaktighet hos olika regntillfällen. En utveckling av Dahlströms formel har dock skett
och idag används Dahlströms formel från 2010 som presenteras i ekvation 5 (Svenskt
Vatten P104, 2011).
där
= nederbördsintensitet [l/(s ha)]
= regnvaraktighet [min]
Å = återkomsttid [mån]
För framtagning av dimensionerande flöde, finns tre olika sätt att använda ekvation 4
ovan och dessa metoder kallas; Rationella metoden, Nettoytemetoden och Tid-area
metoden som lämpar sig för olika typer av avrinningsområden.
20
Rationella metoden
Den Rationella metoden är tillämpbar i fallet då avrinningsområdet uppfyller följande
kriterier:
Området ska ”i det närmaste” vara rektangulärt
Området ska vara i
avrinningskoefficienter
Regnets varaktighet ska sättas till områdets rinntid, det vill säga den tid det tar
innan hela avrinningsområdet bidrar med flöde i områdets utloppspunkt
Avrinningsområdets area är maximalt 100 hektar
det
närmaste
homogent
med
avseende
på
Om alla kriterier inte uppfylls kan avrinningsområdet delas in i delområden inom vilka
villkoren uppfylls. Dock kan Rationella metoden endast användas för beräkning av
dimensionerande flöden och är ej lämplig för beräkning av avrinning från en specifik yta
vid ett mindre kraftigt regntillfälle.
I Rationella metoden används ekvation 4a för att beräkna dimensionerande flöde,
.
där
= dimensionerande nederbördsintensitet [l/s ha]
= regnets varaktighet vilken är densamma som områdets rinntid, tc [min]
Ar = reducerad area, det vill säga hela avrinningsområdets area multiplicerat med
avrinningskoefficienten, , för området [ha]
Rinntiden är den tid det tar innan ett regn som faller i en viss punkt i ett avrinningsområde
bidrar till avrinning i avrinningsområdets uppsamlingspunkt. Rationella metoden kan
alltså användas då regnets varaktighet är längre eller lika med den tid det tar för vattnet
längst bort i avrinningsområdet att nå avrinningsområdets uppsamlingspunkt. I Rationella
metoden görs antagandet att både infiltrationshastigheten och regnintensiteten är konstant,
genom användandet av konstanta avrinningskoefficienter och rinntider. Rinntiden kan
uppskattas utifrån schablonvärden på vattenhastigheter för olika typer av ytor, se tabell
4.2.
Tabell 4.2. Vattenhastigheter för olika typer av ytor (Vägverket, 2008).
Typ av yta
Ledningar i allmänhet
Tunnel/ större ledning
Dike och rännsten
Grunda diken
Markyta
Vattenhastigheter
(m/s)
1,5
1,0
0,5
0,2 (max. längd ca. 300 m)
0,1 (max. längd ca. 100 m)
21
Alternativt kan rinntiden över olika markytor beräknas enligt ekvation 6, där hänsyn tas
till typ av markyta, rinnsträcka samt marklutning.
där
T = rinntiden [min.]
M = Mannings tal som beror på markytans typ (se tabell 4.3) [m1/3/s]
L = rinnsträckan [m]
S = markens lutning [m/m]
Tabell 4.3. Mannings tal, M, för olika typer av markytor.
Typ av markyta
Slät asfalt/betongbeläggning
Grov asfalt/betongbeläggning
Grusyta
Kort gräs
Långt gräs
Mannings tal, M
(m1/3/s)
80-85
70-75
40-50
30-35
25-30
En metod har tagits fram för att beräkna rinntiden som funktion av regnintensiteten, se
ekvation 7. Denna ekvation gäller dock endast för sammansatta ytor inom tätbegyggda
områden.
där
tc = rinntiden [min]
Lh80 = huvudledningens längd fram till den längst uppströms liggande brunnen plus 80 m
[m]
Sh = huvudledningens medellutning [-]
Adel = deltagande avrinningsyta (reducerad area) [ha]
i = regnintensiteten [l/s ha]
Nettoytemetoden
Nettoytemetoden är en förenklad version av Rationella metoden och metoden är
tillämpbar för större vägar. I Nettoytemetoden gör man antagandet att det
dimensionerande flödet kommer att erhållas från de hårdgjorda ytorna och därför räknas
endast avrinningen från dessa ytor in. Avrinningskoefficienten sätts till 1,0 och
nederbördsintensiteten bestäms för ett regn med varaktigheten 10 minuter.
22
Tid-area metoden
Tid-area metoden är en utveckling av Rationella metoden, där hänsyn tas till att regnets
varaktighet inte nödvändigtvis är lika med avrinningsområdets rinntid. Metoden lämpar
sig för större avrinningsområden med en varierad terräng. Avrinningsområdet delas in i
delområden vilka tilldelas en reducerad area och rinntid för delområdena beräknas.
Dimensionernade flöde tas fram för olika varaktigheter med motsvarande regnintensiteter
och vid olika varaktigheter kommer ett visst antal delområden bidra med avrinning i
utloppspunkten. Det största dimensionerande flödet blir det flöde som val av
ledningsdimension baseras på.
4.1.2. Dimensionering av dagvattenledningar
Dagvattenledningar ska dimensioneras för fylld ledning och en kontroll av trycklinjen för
vald ledningsdimension ska göras för det dimensionerande regnet. Dagvattensystem ska
utföras så att risken för dämning minimeras och i det fall dagvattnet är betydande
förorenat ska vattnet renas innan det släpps ut till recipient (Svenskt Vatten P90, 2004).
Dagvattenledningar ska dimensioneras för en återkomsttid enligt tabell 4.4.
Tabell 4.4. Återkomsttid för regn vid dimensionering av avloppsledningar (Vägverket,
2008).
23
4.1.3. Dimensionering av diken
Diken i urban miljö ska dimensioneras för en återkomsttid på 10 år. För ett skärningsdike,
som ska ta hand om vatten från vägytan och vägkroppen, får vattenytan högst stiga till
halva överbyggnadens tjocklek för det dimensionerande regnet.
Friktionsförlusterna ( ) i öppna kanaler och diken beräknas med Mannings formel,
presenterad i ekvation 8.
där
U = medelvattenhastighet [m/s]
L = längd [m]
M = Mannings tal [m1/3/s], se tabell 4.5.
R = A/P = hydraulisk radie [m]
A = tvärsektionens ”våta” area [m2]
P = våta perimetern [m], längden av kontaktytan mellan botten och vattenyta, se figur 4.1.
Figur 4.1. Principskiss av dike med våta arean (A) och våta perimetern (P) (Vägverket,
2008).
Tabell 4.5. Mannings tal för olika typer av ytor (Vägverket, 2008).
Typ av yta
Slät asfalt/ betongbeläggning
Grov asfalt/ betongbeläggning
Grus
Kort gräs
Långt gräs
Mannings tal, M
(m1/3/s)
80-85
70-75
40-50
30-35
25-30
Vattennivån i diket kan beräknas då flöde (Q), längslutning (S), och Mannings tal för
diket är känt. Då kan Mannings formel skrivas enligt ekvation 8a:
Normaldjupet i diket kan beräknas då strömningen av vatten är opåverkad och det råder
ett samband mellan friktionsförluster och längslutning i diket. Då tas normaldjupet fram
genom passning i nomogram. Det finns olika nomogram för olika typer av diken och i
24
Bilaga 1 presenteras ett exempel på ett av nomogramen som finns att tillgå i VVMB 310 Hydraulisk dimensionering (Vägverket, 2008).
4.2. Tyska dimensioneringsnormer
Beskrivningen av tyska dimensioneringsnormer grundar sig på våra översättningar av
RAS (2005) från tyska till svenska, varför vi vill reservera oss från eventuella
misstolkningar och felöversättningar.
I Tyskland undviks användning av ledningar för omhändertagning av vägdagvatten så
långt det går, och istället tillåts vägdagvattnet infiltrera inom vägområdet i den mån det är
möjligt. Faktorer som anses avgörande för ett sådant förfarande är:
-
Andel hårdgjorda ytor samt deras storlek och karaktär
-
Markförhållanden, vegetation samt lutning på ytorna
-
Nederbördsförlopp, varaktighet samt intensitet
I de tyska dimensioneringsnormerna antas regnet ha konstant intensitet under hela
nederbördsförloppet, det vill säga att nederbörden faller i form av blockregn. Vidare antas
att intensiva regn har en kortare varaktighet än lågintensiva regn som ofta har en längre
varaktighet.
4.2.1. Tidkoefficientmetoden
Vid beräkning av avrinning från vägar används en metod kallad Tidkoefficientmetoden,
som baseras på rinntider. Här antas det att störst flöde kan erhållas då rinntiden motsvarar
det dimensionerande regnets varaktighet. Andra förutsättningar som antas vid beräkning
med denna metod är att området som studeras är rektangulärt, regnet faller som blockregn
samt att avrinningskoefficienten är konstant under hela nederbördsförloppet. Ekvation 9
används för beräkning av avrinningen med Tidkoefficientmetoden.
där
Q = ytavrinning
= regnintensitet utifrån varaktighet D och regnfrekvens n
= arean av respektive avvattnad yta
= respektive avvattnad ytas avrinningskoefficient
Dimensionerande regnvaraktighet
I flacka områden sätts varaktigheten till 15 minuter för rinntider som understiger 15
minuter. Vidare väljs en varaktighet på 10 minuter då det förekommer större lutningar.
25
Återkomsttid
Återkomsttiden väljs utifrån en önskad säkerhetsnivå för att undvika bräddning av
avvattningssystemet samt ur trafiksäkerhetssynpunkt, och anges enligt
där
a är återkomsttiden och n regnfrekvensen.
Vanligen används a = 1 år för avrinning till slänter, vägdiken eller genom ledningar samt
a = 3 år för mittremsa. För fler värden på återkomsttid för olika anläggningar/utformningar, se RAS (2005).
Avrinningskoefficienter
Avrinningen från vägen beräknas genom att dra bort eventuella förluster såsom
vätningsförluster, dikesuppfyllnad, infiltration samt avdunstning från nederbörden, till
exempel nederbördsintensitet minus infiltrationskapacitet. På så sätt tas hänsyn till att
vatten från vägbanan kan infiltrera i dikena om dessa inte mättats. Vidare används
avrinningskoefficienter ( ) för olika typer av hårdgjorda ytor, där = 0.9 används för
vägytor.
Avrinningskoefficienter används inte för vegeterade ytor, då sådana inte anses ta hänsyn
till infiltrationskapaciteten hos ytorna. Enligt RAS (2005) bidrar vegetationens rötter samt
markfaunans aktivitet till en ökad genomsläpplighet och infiltrationskapacitet hos
jordmånen, jämfört med om vegetationen inte hade funnits där. Istället ges vegeterade
ytor inom vägområdet en infiltrationskapacitet på minst 100 l/s ha. När nederbördsintensiteten inte överstiger detta värde, kommer således ingen ytavrinning att ske.
Innehåller banken sand eller material med hög genomsläpplighetsförmåga ges
infiltrationskapaciteten i slänten istället ett värde på 300 l/(s ha). För gräsklädda diken
sätts motsvarande värde till 150 l/(s ha). Finare material än sand i ej vegeterade slänter
antas endast leda till små infiltrationsmängder.
Bakgrund till tyska infiltrationskapaciteter
Infiltrationskapaciteterna för slänterna är hämtade från rinnförsök som genomförts i
befintliga vägslänter i Tyskland. Försöksplatsen dominerades av jordtypen sand och var
till största delen grästäckt med ställvis förekommande buskage. Resultaten från försöken
visade att förlusterna var relativt höga i de undersökta vägslänterna, mellan 100 och 2000
l/s ha. Det slutliga gränsvärdet på infiltrationskapaciteten vid avrinning från vägar till
öppna längsgående diken sattes till 100 l/s ha, då detta värde ansågs vara på den säkra
sidan eftersom alla uppmätta förluster överskred detta värde (Lecher och Ludwig, 1985).
Detta låga gränsvärde kan dock leda till onödigt stora ekonomiska utgifter för
avvattningsanläggningar, då större förluster än gränsvärdet erhölls i cirka 98 % av fallen
(Lecher & Ludwig, 1985).
4.2.2. Dimensionering av vägdike
I de tyska dimensioneringsnormerna dimensioneras vägdiken (öppna rännor) utifrån
kontinuitetsekvationen (ekvation 10) och Manning – Strickler formeln (ekvation 11). Slås
dessa två ekvationer samman erhålls ett samband för framtagning av flöde i ett dike
baserat på dikets dimensioner och materialet i diket (se ekvation 12).
26
Kontinuitetsekvationen
där
Q = flödet i vägdiket [m3/s]
A = dikets tvärrsnittsarea [m2]
v = den genomsnittliga vattenhastigheten i diket [m/s]
Manning – Strickler formeln
där
v = den genomsnittliga vattenhastigheten i diket [m/s]
= en koefficient som motsvarar ytråheten i vägdiket [m1/3/s]
= vattendjupet i mitten av diket [m]
= vägdikets längslutning [m/m]
Kontinuitetsekvationen sammanslagen med Manning – Strickler formeln
För gräsklädda diken ligger ytråheten ( ) på 20-30 m1/3/s. I tabell 4.6 finns
omskrivningar för arean, våta parameten (den ”våta” omkretsen) samt hydrauliska radien,
vilka kan användas för att underlätta dimensioneringen av diken. I tabellen står h för
vattendjupet i diket, b för bottenbredden samt m motsvarar släntlutningen (1:m). Dessa
parametrar samt arean och den våta parametern finns illustrerade i figur 4.2. Vidare gäller
den första raden med omskrivningar i tabell 4.6 för rektangulära tvärsnitt, andra raden för
triangulära tvärsnitt samt tredje raden för trapetsformat tvärsnitt (RAS, 2005).
Tabell 4.6. Omskrivningar för area, våta parametern samt hydrauliska radien. Översta
radens omskrivningar gäller för rektangulära tvärsnitt, medan andra och tredje raden
gäller för triangulära respektive trapetsformade tvärsnitt (RAS, 2005).
27
Figur 4.2. Illustration av parametrar i tabell 4.6. A – tvärsnittsarea, b – bottenbredd, lu –
våta parametern, m – släntlutningen (1:m) och h – dikets vattendjup (RAS, 2005).
28
5. Jämförelse av tyska och svenska dimensioneringsnormer för vägavvattning
En jämförelse av de svenska och tyska dimensioneringsnormerna för vägavvattning
gjordes dels teoretiskt, dels med beräkningar och även praktiskt. I den teoretiska
jämförelsen studerades och noterades skillnader och likheter som framgår i ländernas
dimensioneringsnormer. Genom beräkningar av flöden som uppstår i ett avrinningsområde enligt tyska och svenska dimensioneringsmetoder belystes skillnader och likheter
ytterligare. Den praktiska jämförelsen av flödesberäkningarna innefattade en flödesmätning i ett vägdike längs med Yttre Ringvägen i Malmö.
5.1. Teoretiska skillnader och likheter mellan tyska och svenska
dimensioneringsnormer för vägavvattning
1. Reducerat flöde i diken – Beräkningen av dimensionerande flöde baseras i Sverige
på andelen hårdgjorda ytor och ingen hänsyn tas i flödesberäkningen till om det
avrinnande vattnet avleds i dike eller ledning. Detta innebär att det dimensionernade flödet från ett givet avrinningsområde kommer vara detsamma oavsett
om det leds direkt till ledningar eller först via vegeterade diken och vidare till en
uppsamlande ledning. I Tyskland tas däremot hänsyn i flödesberäkningarna till att
flödet från ett avrinningsområde reduceras när det når dikena. Detta innebär att det
i de tyska dimensioneringsnormerna antas att vägdagvatten från vägbanorna kan
infiltrera i dikena om dessa inte mättats av regnet som faller direkt i diket. Ett
sådant antagande görs inte i de svenska dimensioneringsnormerna.
2. Rationella metoden – I Sverige används oftast den Rationella metoden för
beräkning av dimensionerande flöde. I Tyskland används den så kallade Tidkoefficientmetoden för framtagning av dimensionerande flöde och delar av denna
påminner mycket om den Rationella metoden.
Rationella metoden:
Tidkoefficientmetoden:
där
i = rD,n = regnintensitet
= avrinningskoefficient
A = delarea
Utöver Rationella metoden finns det två andra metoder, Nettoytemetoden och Tidarea metoden, för framtagning av dimensionerande flöde i urbana områden i
Sverige. I Tyskland används endast Tidkoefficientmetoden för detta ändamål. Det
som till största del skiljer de tre svenska metoderna åt är sättet att ta fram regnets
29
varaktighet på samt avrinningsområdets utseende. Dessa tre metoder gäller för
framtagning av dimensionerande flöde i urban mark och i de svenska
dimensioneringsnormerna finns även direktiv för framtagning av dimensionerande
flöde i naturmark.
I Sverige finns det alltså en stor variation av olika metoder att välja mellan för
beräkning av dimensionerande flöde beroende på avrinningsområdets egenskaper,
medan det i Tyskland används en och samma metod oberoende av avrinningsområdets förutsättningar.
3. Rinntid – Regnets varaktighet sätts lika med rinntiden både i de svenska och i de
tyska dimensioneringsnormerna. I Sverige beräknas dock rinntiden utifrån
vattenhastigheten för den specifika ytan och rinnsträckan, medan rinntiden i
Tyskland sätts till mellan 10 och 15 minuter beroende på avrinningsområdets
lutning.
Beräkningen av rinntiden som görs i Sverige kan antas ge ett riktigare värde än det
tyska då det i den svenska beräkningen tas mer hänsyn till områdets
förutsättningar medan det tyska värdet endast baseras på en bedömning av
avrinningsområdets lutning.
4. Återkomsttid – Vid dimensionering i Tyskland används återkomsttiden 1 år för
avrinning till slänter, vägdiken eller genom ledningar och 3 år för mittremsa. I
Sverige baseras valet av återkomsttid främst på typ av område, det vill säga om
området är instängt/ej instängt samt om det är inom citybebyggelse eller utanför
citybebyggelse. Återkomsttiderna för fylld dagvattenledning i Sverige varierar i de
olika områdetyperna mellan 1 och 10 år.
5. Blockregnsintensitet – Både i de svenska och i de tyska dimensioneringsnormerna
används blockregnsintensiteter som dimensionerande regnintensiteter. Detta
innebär att regnet antas falla med samma intensitet under hela varaktigheten. I
Tyskland hämtas dimensionerande regnintensiteter ur tabeller som sammanställts
för flera olika tyska orter. Nederbördsintensiteten beräknas i Sverige med
Dahlströms formel (ekvation 5), men om motsvarande information finns väl
dokumenterad för en specifik ort kan dessa uppgifter med fördel väljas framför
beräkning med Dahlströms formel.
Bakgrundsinformation till hur de tyska tabellerade nederbördsintensiteterna har
tagits fram saknas, men dessa kan anses lika trovärdiga som de nederbördsintensiteter som tas fram med Dahlströms formel i Sverige. Detta ses därmed inte
som någon större skillnad mellan de två dimensioneringsnormerna.
6. Avrinningskoefficient/Infiltrationskapacitet – I Tidkoefficientmetoden används
endast avrinningskoefficienter för beräkning av avrinning från hårdgjorda ytor och
då används ett värde på 0,9. Avrinningen från vegeterade ytor beräknas genom att
ta regnintensiteten minus infiltrationskapaciteten, det vill säga nederbörden minus
förlusterna. Infiltrationskapaciteten väljs baserat dels på yta men även på vad som
finns under ytan, där värden mellan 100 och 300 l/s ha vanligtvis används. I de
svenska dimensioneringsmetoderna används avrinningskoefficienter för alla typer
av ytor och här varieras avrinningskoefficienten beroende på om ytan är asfalterad
eller vegeterad. För asfalterade ytor används en avrinningskoefficient på 0,8.
30
På det sätt som infiltrationskapaciteter används i den tyska dimensioneringsmetoden antas infiltrationskapaciteten vara konstant under hela regntillfället,
medan användandet av avrinningskoefficienter i de svenska dimensioneringsmetoderna innebär att mängden vatten som infiltrerar samt avrinner ökar med
ökad regnintensitet.
7. Ledning/diken – I Tyskland används vägdiken för uppsamling och hantering av
vägdagvattnet medan vägdiken i Sverige snarare används för att transportera
vägdagvattnet vidare för hantering på annan plats. Alltså rinner vägdagvattnet i
Sverige av från vägen till diket och sedan oftast vidare till brunnar som kopplas på
dagvattenledningar vilka i sin tur leder vattnet vidare till recipienten. I Tyskland
undviks dock ledningar i så stor utsträckning som möjligt.
8. Dimensionering av diken – Vid dimensionering av diken används en kombination
av Mannings formel och Kontinuitetsekvationen i båda normerna, dock betecknas
de ingående parametrarna något olika i de två normerna.
5.2. Jämförelse av beräknade flöden med svenska och tyska
dimensioneringsmetoder
Genom att beräkna flöden som teoretiskt sett uppstår i ett befintligt avrinningsområde
enligt den svenska respektive tyska dimensioneringsmetoden för dimensionerande flöde i
små urbana avrinningsområden kunde svenska och tyska dimensioneringsnormer vidare
jämföras. Flöden valdes att beräknas för regn med en återkomsttid av 1, 10 och 100 år och
en regnvaraktighet av 10 respektive 60 minuter för samtliga återkomsttider.
5.2.1. Förutsättningar för jämförelsen – Beskrivning av avrinningsområdet
Avrinningsområdet innefattar en del av Yttre Ringvägen i Malmö och avrinningsområdets
storlek är cirka 6000 m2. Avrinningsområdet sträcker sig strax väster om där Yttre
Ringvägen korsar Larsbovägen, där vägen har en höjdpunkt, och vidare 100 m nedströms,
se röd markering i figur 5.1.
Figur 5.1. Karta över en del av Yttre Ringvägen, Malmö, där avrinningsområdet
markerats i rött (Google & TerraMetrics, 2013).
31
Yttre Ringvägen som invigdes i juni 2000 (Trafikverket, 2009-2010) har två separerade
vägbanor. Vardera vägbana gränsar till ett vegeterat sidoområde samt mittremsan som
skiljer de två vägbanorna åt. I sidoområdena, liksom i mittremsan, löper diken; ett i
vardera sidoområde samt två i mittremsan (se figur 5.2).
Figur 5.2. Indelning av avrinningsområdet i mindre delområden, beroende på ytmaterial,
för framtagning av flöde. Vägslänter har markerats med rött respektive grönt, vägbanor
med gult och orange, och mittremsan med blått. Pilarna illustrerar vägdagvattnets
avrinningsriktning. För uppförstorad figur, se bilaga 2. (Vägverket, 1999, figur
modifierad av Veronica Gullstrand)
Vägen har två gräsbeklädda sidoområden, ett på vardera sida om vägen, samt en
gräsbeklädd mittremsa, där vatten från vägytan kan samlas upp och infiltrera. På så sätt
kan avrinningsområdet delas in i rektangulära mindre delområden beroende på typ av yta;
vägslänter (VS) med diken (D), vägbanor (VB) samt mittremsan (MR) med diken (MD),
se figur 5.2. I bilaga 3 presenteras och förklaras de viktigaste kartbeteckningarna för att
underlätta tolkningen av en relationsritning, det vill säga en ritning som den i figur 5.2.
Det röda respektive det gröna området i figur 5.2 utgör vägslänterna (VS 1 respektive VS
2) i vägens sidoområde, med ett dike (D 1 respektive D 2) i respektive vägslänt. Vägbanorna har markerats med gult respektive orange, där vägbana 2 delats in i två delar (VB
2.1 respektive VB 2.2). Detta för att denna vägbana övergår från att vara skevad mot
sidoområdet till att skeva in mot mittremsan. Enligt höjderna i bilden är denna övergång
mjuk, det vill säga övergången sker över ett långt avstånd. Detta förenklas genom en
diagonal precis i övergången. Vidare har även den blåmarkerade mittremsan delats in i
två delar (MR 1 och MR 2), då det går två parallella diken (MD 1 och MD 2) i
mittremsan. Areor för respektive delområde presenteras i tabell 5.1.
32
Tabell 5.1. Delareor framtagna genom mätning i figur 5.2.
Area, avrinningsområde Yttre ringvägen
Längd
Bredd
Area
(m)
(m)
(m2)
VB 1
98,6
11,3
1114,2
VB 2.1
83,9
11,3
948,1
VB 2.2
15,5
11,3
175,2
MR 1
98,7
6,25
616,9
MR 2
98,7
6,25
616,9
VS 1
98,0
10,5
1029,0
VS 2
99,7
15
1495,5
Hela VB 1 är skevad mot sidoområdet (det vill säga lutar ut mot sidoområdet), vilket får
till följd att vägdagvattnet från denna vägbana rinner av till D 1. Därmed tar D 1 emot
vatten som faller dels på VS 1, dels vattnet som avrinner från VB 1. Diket närmast VB 1 i
MD 1 tar endast emot den nederbörd som faller direkt i det diket, medan MD 2 tar emot
vatten dels från VB 2.1 samt regn som faller direkt i diket. Slutligen avrinner
vägdagvattnet från VB 2.2 till D 2 vilket även tar hand om den nederbörd som faller
direkt i diket. Denna fördelning av vägdagvatten är illustrerad i form av pilar i figur 5.2.
Det totala flöde som avrinner från hela avrinningsområdet och når ledningen via en brunn
kallas det totala flödet. Det totala flöde som kommer nå respektive dike utifrån
fördelningen av vägdagvatten enligt pilarna i figur 5.2, benämns flöde i diken. Genom att
addera alla flöden i respektive dike, erhålls det totala flödet.
5.2.2. Aktuell väg
Yttre Ringvägen är uppbyggd enligt figur 5.3, med ett slitlager av 40 mm stenrik
asfaltbetong, ABS 16, där 16 anger största stenstorlek i mm, samt ett 50 mm tjockt
bindlager av asfaltbetong, ABB 22, som tillsammans utgör det översta lagret. Vidare
följer ett bundet bärlager av cementbundet grus (CG), med en tjocklek av 240 mm följt av
670 mm krossat berg där cirka 150 mm utgörs av obundet bärlager och cirka 500 mm
förstärkningslager. Mellan överbyggnaden och terrassytan ligger en materialskiljande
fiberduk och undergrunden består av lermorän. Detta ger en ungefärlig överbyggnadstjocklek på 1000 mm. Observera att bilden ej är skalenlig.
33
Figur 5.3. Yttre Ringvägens uppbyggnad (Högström, 2013). Observera att bilden ej är
skalenlig.
5.2.3. Aktuellt dike
Dikena längs Yttre Ringvägen är av typen täckta diken, se figur 5.4, som utformats med
flacka slänter med lutning 1:6 i det öppna diket. Detta medför att det öppna diket är grunt.
Vidare hindras grundvattenuppträngning i överbyggnaden med en dräneringsledning.
Dräneringsledningen ligger på ett djup av cirka 1300 mm i en dikesgrav med ett djup av
300 mm. Lutningen på överbyggnaden i diket är på cirka 1:2.
34
Figur 5.4. Aktuella diket som är av typen täckt dike (Vägverket, 1997, figur modifierad av
Veronica Gullstrand).
Dikena i avrinningsområdet är gräsbeklädda men det finns även inslag av mindre träd och
buskar på delar av de övre ytterslänterna. Runt de kupolsilar som ligger i det öppna dikets
botten finns dock makadam. Materialet i släntkappan (punkt 1, figur 5.4) utgörs av
krossat jord- och bergmaterial av kornstorlek 0-50/60 mm samt en finjordshalt på 12-15
% (Trafikverket, 2013). Utifrån detta antas släntkappan vara relativt genomsläpplig med
en karaktär/egenskaper någonstans mellan morän och grus. Gräset (punkt 2, figur 5.4) är
direktsått på materialet i släntkappan. Punkt 13 i figur 5.4 utgör ett tätskydd av
geomembran som hjälper till att leda infiltrerat vatten till brunnen samt hindrar vattnet
från att tränga ner ända till grundvattnet (Trafikverket, 2013).
5.3. Teoretisk jämförelse – Beräkningsexempel
Nedan följer ett beräkningsexempel för framtagning av dimensionerande flöde för det
aktuella avrinningsområdet i figur 5.2 enligt svenska och tyska dimensioneringsmetoder. I
detta beräkningsexempel var det inte fråga om att dimensionera avvattningssystemet.
Istället togs specifika flöden fram, vilka skulle uppstå i ett befintligt avvattningssystem
till följd av ett givet regn med en given varaktighet och återkomsttid.
Även vattendjup som dessa flöden skulle gett upphov till i dikena beräknades. Slutligen
undersöktes den befintliga dagvattenledningens kapacitet så att analyser kunde göras om
vad som skulle hända om de framtagna totala dimensionerande flödena verkligen skulle
uppstå.
35
5.3.1. Beräkningsförutsättningar
- Det aktuella avrinningsområdet på Yttre Ringvägen har en andel hårdgjorda ytor
som överstiger 3,75 % och därför togs dimensionerande flöde fram för urban
mark.
-
Vid beräkning enligt svenska dimensioneringsnormer följdes Rationella metoden,
då den har flest likheter med Tidkoefficientmetoden som används i Tyskland,
samt är den vanligaste metoden för beräkning av dimensionerande flöden i
Sverige.
o Rationella metoden:
o Tidkoefficientmetoden:
-
Beräkningarna utfördes för regn med återkomsttid 1, 10 och 100 år samt en
varaktighet på både 10 och 60 min för alla återkomsttider. Utifrån återkomsttid
och varaktighet erhölls regnintensiteter ur tabell 8.11 i Svenskt Vatten P104
(2011) för 1 och 10 års återkomsttid som gäller för Malmö. Regnintensiteten för
100 års återkomsttid är framtagen ur Dahlströms formel, vilken gäller allmänt för
hela Sverige, detta gjordes eftersom värdet på regnintensiteten för 100 års
återkomsttid saknas för Malmö. Beräkningarna utfördes för två olika varaktigheter
för att tillåta en jämförelse av regn med olika varaktighet (se tabell 5.2).
Tabell 5.2. Regnintensiteter för regn med återkomsttid 1, 10 och 100 år med
regnvaraktigheter på 10 respektive 60 min.
Återkomsttid
(år)
Regnintensitet för 10 min.
varaktighet
(l/s ha)
Regnintensitet för 60 min.
varaktighet
(l/s ha)
1
10
100
100,7
207,2
488,8
34,5
74,9
151,5
-
Avrinningskoefficienter enligt svenska normer:
o Vägbanor – 0,8
o Slänter och mittremsa – 0,2
-
Avrinningskoefficienter/Infiltrationskapacitet enligt tyska normer:
o Vägbanor – 0,9
o Infiltrationskapacitet i slänter och mittremsa – 150 l/s ha
Mittremsan är gräsbevuxen och har en relativt svag lutning, liksom dikenas inner- och
ytterslänter i vägområdets sidoområden. Däremot finns det träd och mindre buskage på
stora delar av sidoområdets övre ytterslänter, som dessutom har en större lutning. Den
reducerande effekt som dessa träd och buskar har på avrinningen, antogs tas ut mot att
36
lutningen här är större, varför avrinningskoefficienten/infiltrationskapaciteten i hela
slänten sattes till densamma som i mittremsan.
Beräkningsgången presenteras i detalj för en återkomsttid på 1 år och en varaktighet på 10
respektive 60 min enligt de två dimensioneringsmetoderna. Därefter presenteras endast
resultat för återkomsttider på 10 och 100 år med de två varaktigheterna.
5.3.2. Beräkningsgång samt resultat för 1 års återkomsttid utifrån svensk
dimensioneringsmetod
Flöden beräknades enligt Rationella metoden för respektive delområde och resultaten
visas i tabell 5.3.
Rationella metoden:
Tabell 5.3. Flöden som rinner av från respektive delområde vid varaktigheter på 10 och
60 min.
Delområde
VB 1
VB 2.1
VB 2.2
MR 1
MR 2
VS 1
VS2
Flöde
10 min. varaktighet
(l/s)
9,0
7,6
1,4
1,2
1,2
2,1
3,0
Flöde
60 min. varaktighet
(l/s)
3,1
2,6
0,5
0,4
0,4
0,7
1,0
Flödet i respektive dike togs fram genom att addera avrinningsflöden från tabell 5.3 som
rinner av till respektive dike enligt fördelningen visad med pilar i figur 5.2. Detta resultat
presenteras i tabell 5.4. Här redovisas även det totala flödet som hela avrinningsområdet
bidrar med.
Tabell 5.4. Flöde i respektive dike vid varaktigheterna 10 respektive 60 min.
Benämning
D1
D2
MD 1
MD 2
Flöde (10 min.)
(l/s)
11,0
4,4
1,2
8,9
Flöde (60 min.)
(l/s)
3,8
1,5
1,2
3,0
37
5.3.3. Beräkningsgång samt resultat för 1 års återkomsttid utifrån tysk
dimensioneringsmetod
Tidkoefficientmetoden:
Avrinningen
från
respektive
vägbana
beräknades
enligt
ekvation
9
(Tidkoefficientmetoden). Avrinningen från gräsbeklädda ytor togs fram genom att
subtrahera nederbörden (det vill säga regnintensiteten) med infiltrationskapaciteten och
därefter multiplicerades resultatet med delområdets area enligt ekvation 13.
Flöde för respektive delområde redovisas i tabell 5.5. Negativa värden indikerar att
området inte är mättat utan motsvarande positiva mängd kan infiltrera innan avrinning
från området sker, det vill säga ingen avrinning sker från områden med negativa flöden.
Dessa områden är de gräsbeklädda ytorna.
Tabell 5.5. Flöde som rinner av från respektive delområde vid varaktigheter på 10
respektive 60 min.
Delområde
VB 1
VB 2.1
VB 2.2
MR 1
MR 2
VS 1
VS2
Flöde
10 min. varaktighet
(l/s)
10,1
8,6
1,6
-3,0
-3,0
-5,1
-7,4
Flöde
60 min. varaktighet
(l/s)
3,5
2,9
0,5
-7,1
-7,1
-11,9
-17,3
Flöde i respektive dike togs fram genom att addera avrinningsflöden som rinner av till
respektive dike enligt fördelningen visad med pilar i figur 5.2. Detta resultat presenteras i
tabell 5.6 för varaktigheterna 10 respektive 60 min.
Tabell 5.6. Flöde i respektive dike vid varaktigheterna 10 respektive 60 min.
Benämning
D1
D2
MD 1
MD 2
Flöde (10 min.)
(l/s)
5,0
-5,8
-3,0
5,6
Flöde (60 min.)
(l/s)
-8,4
-16,7
-7,1
-4,2
38
Då positiva avrinningsflöden från vägbanor adderades med negativa avrinningsflöden
från gräsbeklädda ytor, togs hänsyn till att en viss mängd av avrinningen från asfalterade
ytor kan infiltrera i de gräsklädda ytorna. I tabell 5.6 redovisas även det totala flödet som
hela avrinningsområdet bidrar med efter att en del av flödena från asfalterade ytor
infiltrerat i de ej mättade gräsklädda ytorna. D 2 samt MD 1 tar endast emot nederbörden
som faller i dikena, vilket inte är tillräckligt för att mätta dessa diken vid en varaktighet
på 10 min, därav de negativa flödena. Här kommer därmed ingen avrinning att ske. Då
varaktigheten istället är 60 min kommer inte något av dikena mättas och därmed kommer
det totala flödet som hela avrinningsområdet bidrar med bli 0 l/s.
5.3.4. Resultat från beräkning med 10 och 100 års återkomsttid
I tabell 5.7 presenteras framtagna flöden enligt svenska och tyska dimensioneringsmetoder för 10 och 100 års återkomsttider vid en varaktighet av 10 min. Motsvarande
värden för en varaktighet av 60 min presenteras i tabell 5.8. Beräkningsgången för
framtagning av dessa värden följer den ovan beskrivna beräknings-gången för 1 års
återkomsttid.
Tabell 5.7. Flöde i respektive dike samt totalt flöde för 10 och 100 års återkomsttid
beräknade utifrån svenska och tyska dimensioneringsmetoder med varaktigheten 10 min.
Benämning
D1
D2
MD 1
MD 2
SV 10 år
22,7
9,1
2,6
18,3
Flöde (l/s) – 10 min. varaktighet
TY 10 år
SV 100 år
TY 100 år
26,7
67,0
83,9
11,8
26,8
58,4
3,5
7,5
20,9
21,2
53,9
62,6
Tabell 5.8. Flöde i respektive dike samt totalt flödet för 10 och 100 års återkomsttid
beräknade utifrån svenska och tyska dimensioneringsmetoder med varaktigheten 60 min.
Benämning
D1
D2
MD 1
MD 2
Flöde (l/s) – 60 min. varaktighet
SV 10 år
TY 10 år
SV 100 år
TY 100 år
8,2
-0,2
20,8
15,3
3,3
-10,1
8,3
2,6
0,9
-4,6
2,3
0,1
6,6
1,8
16,7
13,0
I tabell 5.7 framgår att Tidkoefficientmetoden gav högst flöden i samtliga diken vid
återkomsttiderna 10 och 100 år för varaktigheten 10 min. Det motsatta förhållandet gäller
för en varaktighet på 60 min då Rationella metoden gav största flöde i samtliga diken för
denna varaktighet, se tabell 5.8.
39
5.3.5. Kommentar till beräkningsexempel
Totalt flöde – 10 min. varaktighet
I tabell 5.9 visas en sammanställning av beräknade flöden enligt de tyska och svenska
dimensioneringsmetoderna. För en vald återkomsttid på 1 år och 10 min varaktighet gav
Rationella metoden ett större totalt flöde än Tidkoefficientmetoden, medan motsatt
resultat erhölls för återkomsttider på 10 och 100 år med 10 min varaktighet. De största
flödena har markerats med grått i tabell 5.9 och i tabellen visas både skillnaderna i totalt
flöde samt procentuell skillnad i flöde för respektive återkomsttid.
Tabell 5.9. Volymmässig samt procentuell skillnad i totalt flöde för de två
dimensioneringsmetoderna vid varaktigheten 10 min. Störst totalt flöde för respektive
återkomsttid har skuggats i tabellen.
Återkomsttid
(år)
1
10
100
Nation
Totalt flöde
(l/s)
Sverige
Tyskland
Sverige
Tyskland
Sverige
Tyskland
25,6
10,6
52,7
63,2
155,3
225,8
Skillnad i flöde
(l/s)
Procentuell skillnad i
flöde
(%)
15,0
59
10,5
17
70,5
31
För regn med återkomsttiden 1 år var den procentuella skillnaden störst (59 %) och största
totala flöde erhölls med Rationella metoden. Detta antas bero på att ingen hänsyn tas till
att vatten som rinner av från vägbanan kan infiltrera i vägdikena, vilket görs i den tyska
metoden. I det tyska beräkningssättet görs antagandet att vägdagvatten från asfalterade
ytor kan infiltrera i de gräsklädda dikena om dessa inte blivit vattenmättade. Denna
skillnad i beräkningsgång mellan Sveriges och Tysklands metoder syns tydligast för regn
med 1 års återkomsttid på grund av att nederbördsmängderna vid detta regn är betydligt
mindre än de vid 10 och 100 års regn.
För 10 och 100 års regn beror skillnaderna i flöde troligen på metodernas sätt att ta
hänsyn till förluster i form av exempelvis infiltration. I Sverige används avrinningskoefficienter för samtliga ytor och i Tyskland används dels avrinningskoefficienter för de
hårdgjorda ytorna och dels värden på infiltrationskapaciteten i slänter. Eftersom avrinningskoefficienterna är konstanta blir mängden vatten som inte rinner av större med
ökad regnintensitet. Då de tyska infiltrationskapaciteterna är konstanta värden och inte
beror av regnintensiteten kommer mängden vatten som kan infiltrera vara konstant. Dessa
skilda sätt att ta hänsyn till förluster antas vara orsaken till skillnaderna i flöde mellan
metoderna vid de längre återkomsttiderna då hänsynstagandet till att vatten från
vägbanorna kan infiltrera i slänterna endast påverkar total avrinning marginellt.
Flöde i respektive dike – 10 min varaktighet
De beräknade flödena i vägdikena följer samma trend som resultaten för de totala flödena.
Det vill säga för regn med återkomsttid 1 år erhölls störst flöde i respektive dike med
40
Rationella metoden och för återkomsttiderna 10 och 100 år är det Tidkoefficientmetoden
som ger största flöde i dikena, se tabell 5.10.
Tabell 5.10. Flöde i respektive dike enligt svenska (SV) och tyska (TY)
dimensioneringsmetoder för olika återkomsttid (1, 10 respektive 100 år) men samma
varaktighet, 10 min.
SV 1 år
11
4,4
1,2
8,9
D1
D2
MD 1
MD 2
Flöde (l/s) – 10 min. varaktighet
TY 1 år
SV 10 år
TY 10 år
SV 100 år
5
22,7
26,7
67
0
9,1
11,8
26,8
0
2,6
3,5
7,5
5,6
18,3
21,2
53,9
TY 100 år
83,9
58,4
20,9
62,6
Att Rationella metoden gav högst flöden för återkomsttiden 1 år och Tidkoefficientmetoden gav högst flöden för återkomsttiderna 10 och 100 år beror troligtvis på de redan
presenterade skillnaderna i dimensioneringsmetodernas sätt att ta hänsyn till infiltration.
Det vill säga vid mindre flöden (regnet som motsvarar återkomsttiden 1 år) ger det tyska
beräkningssättet där hänsyn tas till att vatten från vägbanor vidare infiltrerar i vägslänter
utslag. För återkomsttiderna 10 och 100 år är det istället den svenska metoden som ger
högst flöden och detta beror på de skilda sätt genom vilka metoderna tar hänsyn till
förluster.
Totalt flöde – 60 min varaktighet
Generellt gäller att regnvolymerna blir mindre med en längre varaktighet, vilket beror på
att regnintensiteten minskar med regnets varaktighet. Eftersom flödena i dikena är mindre
med en varaktighet på 60 min blir skillnaderna i flöde mellan dimensioneringsmetoderna
tydligare än för varaktigheten på 10 min. I tabell 5.11 visas det totala flödet enligt
Rationella metoden och Tidkoefficientmetoden där de största värdena markerats med
grått.
Tabell 5.11. Volymmässig samt procentuell skillnad i totalt flöde för de två metoderna vid
varaktigheten 60 min. Störst totalt flöde för respektive återkomsttid har skuggats i
tabellen.
Återkomsttid
(år)
1
10
100
Nation
Totalt flöde
(l/s)
Sverige
Tyskland
Sverige
Tyskland
Sverige
Tyskland
9,5
0,0
19,0
1,8
48,1
31,1
Skillnad i flöde
(l/s)
Procentuell skillnad i
flöde
(%)
9,5
*
17,2
91
17,0
35
* Det går inte att ta fram en procentuell skillnad mellan beräknade flöden för återkomsttiden 1 år då den
tyska dimensioneringsmetoden gav ett flöde på 0 l/s.
Vid 60 min varaktighet var det Rationella metoden som gav det största totala flödet för
samtliga återkomsttider. För återkomsttiden 1 år erhölls inget flöde enligt den tyska
41
Tidkoefficientmetoden medan Rationella metoden resulterade i ett flöde på 9,5 l/s. Den
procentuella skillnaden i beräknat flöde blev 91 % för återkomsttiden 10 år och 35 % för
återkomsttiden 100 år. Att det är Rationella metoden som gav störst flöde för samtliga
återkomsttider kan ha sin förklaring i att den tyska dimensioneringsmetoden tar hänsyn
till att vatten från vägbanan kan infiltrera i dikena medan detta beräkningssätt inte
tillämpas i Sverige. Denna skillnad i beräkningssätt blir tydligare för regn med 60 min
varaktighet än regn med en varaktighet av 10 min och detta beror på att det totala flödet
för den längre varaktigheten blir mindre och då blir andelen av det totala flödet som kan
infiltrera i dikena större.
Även för regn med återkomsttiden 100 år var det den svenska metoden som gav störst
flöde, dock var den procentuella skillnaden mellan de två dimensioneringsmetoderna
betydligt mindre här. Detta kan, liksom nämnts tidigare, bero på de olika sätt genom vilka
metoderna tar hänsyn till förlusttermer såsom infiltration har en större inverkan vid större
regnintensiteter.
Flöde i respektive dike – 60 min varaktighet
Resultatet från beräkning av de totala flödena från avrinningsområdet visar att Rationella
metoden gav högst flöde för samtliga återkomsttider vid en regnvaraktighet på 60 min.
Detta resultat gäller även för flödena i respektive dike, vilket visas i tabell 5.12.
Tabell 5.12. Flöde i respektive dike enligt svenska (SV) och tyska (TY) metoder för olika
återkomsttid (1, 10 respektive 100 år) med samma varaktighet, 60 min.
D1
D2
MD 1
MD 2
SV 1 år
3,8
1,5
1,2
3,0
Flöde (l/s) – 60 min. varaktighet
TY 1 år
SV 10 år
TY 10 år
SV 100 år
0
8,2
0
20,8
0
3,3
0
8,3
0
0,9
0
2,3
0
6,6
1,8
16,7
TY 100 år
15,3
2,6
0,1
13,0
I tabell 5.12 kan det utläsas att skillnaden i flöde mellan dimensioneringsmetoderna för
samtliga återkomsttider var störst för D 1. Då D 1 kommer att ta emot vatten både från
vägbana och diket självt antas den stora skillnaden i flöde bero på att Tidkoefficientmetoden räknar med att vatten från vägbana kan infiltrera i vägdiken. Minst skillnad i
flöde erhölls i MD 1 och dessa skillnader var relativt små. MD 1 tar endast vatten som
faller direkt i diket och därmed är skillnaden i flöde oberoende av att den tyska
dimensioneringsmetoden tar hänsyn till att vägdagvatten kan infiltrera i diket. Detta
tillsammans med de små skillnaderna i flöde kan verifiera antagandet om att anledningen
till att Rationella metoden dominerar är att hänsyn inte tas till att vatten kan infiltrera i
dikena. Hade skillnaderna i flöde i MD 1 istället varit stora hade det inneburit att hänsyn
till avrinningen hade spelat roll och då hade antagandet om att anledningen till att den
svenska dimensioneringsmetoden dominerar är att hänsyn inte tas till att vatten kan
infiltrera i dikena varit felaktig.
42
5.3.6. Beräkning av vattendjup i diken utifrån erhållna flöden
För att kontrollera om dikena skulle haft kapacitet att avleda de flöden som togs fram i
avsnitten ovan för 1, 10 och 100 års återkomsttid för de två varaktigheterna 10 respektive
60 min, beräknades vilka vattendjup i dikena som dessa flöden skulle gett upphov till.
Dikenas geometriska utformning togs fram genom mätning i figur 5.2.
Dikets dimensioner:
-
Bredd av dikesslänt = 3,2 m
-
Dikets totala bredd = 6,4 m
-
Släntlutning = 1:6
-
Maximalt dikesdjup =
m
Diket har ett triangulärt tvärsnitt som saknar dikesbottenbredd. En illustration över dikets
dimensioner visas i figur 5.5. Alla diken inom det aktuella avrinningsområdet har samma
dimensioner.
Figur 5.5. Illustration av diket i testområdet.
I både de svenska och tyska dimensioneringsnormerna baseras dimensioneringen av diken
på Mannings formel tillsammans med kontinuitetsekvationen. Dock används olika
beteckningar för de olika parametrarna i de två normerna.
Beräkningsgången för framtagning av vattendjupet utifrån tidigare erhållna flöden visas
nedan i ett exempel. Värdet på flödet som användes i exemplet är det i D 1, beräknat
utifrån regn med 1 års återkomsttid enligt de svenska normerna.
Exempel
Mannings formel sammanslagen med kontinuitetsekvationen:
Efter omskrivningar av arean och hydrauliska radien för triangulärt tvärsnitt erhölls
följande ekvation:
där
m = dikets släntlutning (1:m)
h = dikets vattendjup [m]
Efter insättning av följande parametervärden erhölls ett vattendjup för det valda flödet.
43
Q = 11,0 l/s (flöde i D 1 framtaget för 1 års återkomsttid enligt Rationella metoden)
m = 6 (då släntlutningen är 1:6)
kSt = 25 m1/3/s (för gräs)
IE = 3,2 ‰ (framtaget genom mätning i figur 5.2)
m
Vattendjupen för samtliga framtagna flöden i dikena presenteras i tabell 5.13-5.15.
Framtagningen av dessa följer beräkningsgången presenterad ovan.
Tabell 5.13. Beräknade vattendjup för flöden i respektive dike framtaget för 1 års
återkomsttid och varaktighet 10 respektive 60 min.
10 min.
varaktighet
D1
D2
MR 1
MR 2
60 min.
varaktighet
D1
D2
MR 1
MR 2
Sverige, 1 års regn
Flöde
Vattendjup
(l/s)
(m)
11
0,10
4,4
0,07
1,2
0,04
8,9
0,09
3,8
1,5
1,2
3,0
0,07
0,05
0,04
0,06
Tyskland, 1 års regn
Flöde
Vattendjup
(l/s)
(m)
5,0
0,07
0,0
0,00
0,0
0,00
5,6
0,08
0,0
0,0
0,0
0,0
0,00
0,00
0,00
0,00
Tabell 5.14. Beräknade vattendjup för flöden i respektive dike framtaget för 10 års
återkomsttid och varaktighet 10 respektive 60 min.
10 min.
varaktighet
D1
D2
MR 1
MR 2
60 min.
varaktighet
D1
D2
MR 1
MR 2
Sverige, 10 års regn
Flöde
Vattendjup
(l/s)
(m)
22,7
0,13
9,1
0,09
2,6
0,06
18,3
0,12
8,2
3,3
0,9
6,6
0,09
0,06
0,04
0,08
Tyskland, 10 års regn
Flöde
Vattendjup
(l/s)
(m)
26,7
0,14
11,8
0,10
3,5
0,06
21,2
0,13
0,0
0,0
0,0
1,8
44
0,00
0,00
0,00
0,05
Tabell 5.15. Beräknade vattendjup för flöden i respektive dike framtaget för 100 års
återkomsttid och varaktighet 10 respektive 60 min.
10 min.
varaktighet
D1
D2
MR 1
MR 2
60 min.
varaktighet
D1
D2
MR 1
MR 2
Sverige, 100 års regn
Flöde
Vattendjup
(l/s)
(m)
67,0
0,19
26,8
0,14
7,5
0,09
53,9
0,18
Tyskland, 100 års regn
Flöde
Vattendjup
(l/s)
(m)
83,9
0,21
58,4
0,18
20,9
0,13
62,6
0,19
20,8
8,3
2,3
16,7
15,3
2,6
0,1
13,0
0,13
0,09
0,06
0,12
0,11
0,06
0,02
0,11
5.3.7. Kommentarer till vattendjup i respektive dike
Samtliga diken i det avgränsade området har samma dimensioner. Dessa dimensioner ger
ett dikesdjup av 0,53 m och enligt tabellerna 5.13 – 5.15 där beräknade vattendjup för de
olika återkomsttiderna 1, 10 och 100 år visas, är det ingen risk för att dikena skulle
översvämmas vid regn med dessa förutsättningar. Eftersom vattnet i dikena skulle ha letts
vidare till ledningar via brunnar skulle vattendjupen i dikena troligtvis inte uppnå de
värden som redovisas i tabellerna 5.13 – 5.15. Det högsta framräknade vattendjupet (21
cm) erhölls i D 1 enligt tyska normer och en återkomsttid och varaktighet på 100 år
respektive 10 min. Eftersom flödena blir mindre med ökad varaktighet, skulle ett
vattendjup större än detta troligtvis inte kunna uppmätas för en längre varaktighet än 10
min.
Vid framtagning av vattendjup i diken användes Mannings formel och kontinuitetsekvationen i både de svenska och tyska dimensioneringsnormerna. Därför beror
skillnaderna i vattendjup mellan de två normerna för samma återkomsttid i tabellerna 5.13
– 5.15 på skillnaden mellan flödena som användes vid framtagning av vattendjup.
Enligt resultaten i tabellerna 5.13 - 5.15 skulle vattennivåerna i dikena inte nå ens till
hälften av dikets maximala djup. Därmed antas att ingen risk för översvämning av det
aktuella området föreligger oavsett återkomsttid på regnet. Det bör dock poängteras att
det aktuella området ligger i en höjdpunkt, vilket förklarar varför ingen risk för
översvämning föreligger just här. Däremot finns det en risk att nedströms liggande
lågpunkter blir översvämmade vid så stora regn att ledningarna inom respektive område
inte kan ta hand om regnet som faller inom respektive område.
5.3.8. Ledningskapacitet
I avrinningsområdet rinner vägdagvatten via diken till kupolsilsbrunnar och leds vidare
genom dagvattenledningar till fördröjningsmagasin. Den dagvattenledning som tar upp
vatten från alla diken, inklusive mittremsor i området är en betongledning med en
ledningsdimension av 400 mm. Nedan följer en beräkning av den maximala kapaciteten
för ledningen.
45
Beräkning av maximalt flöde
-
Ledningens längsgående lutning = 3 ‰
-
Betongledning
-
Energiförlusten i form av friktionsförlust som uppstår i ledningen beräknades med
Bernoullis ekvation, se ekvation 13.
ledningsråhet, k = 1 mm (Svenskt vatten P90, 2004)
Dagvattenledningen vid Yttre Ringvägen är lagd med självfall, varför det antogs att
ledningen inte är trycksatt. Detta innebär att det längs med ledningen råder samma tryck
(atmosfärstryck) vid vattenytan, och vatten i ledningen vid två olika punkter rör sig med
samma hastighet. Vidare får detta till följd att energiförlusten,
, motsvaras av
ledningens ändring av lägesenergi. Eftersom ledningslutningen är på 3 ‰ blir därmed
energilinjens lutning 3 ‰.
Bernoullis ekvation:
där
= energiförlust [mvp]
P = statiskt tryck [N/m2]
= vätskans densitet [kg/m3]
z = höjd över horisontellt referensplan [m]
v = vattenhastighet [m/s]
g = tyngdaccelerationen [9,82 m/s2]
Ledningskapaciteten vid full ledning (utan trycksättning) utlästes ur ett så kallat
Colebrook-diagram, se bilaga 4. Med känd friktionsförlust, ledningsdiameter och
ledningsråhet avlästes den maximala vattenföringen till cirka 120 l/s.
Med en ledningskapacitet på 120 l/s skulle ledningen kunna hantera samtliga flöden med
återkomsttider på 1 och 10 år, se tabell 5.16. De flöden som erhölls för en återkomsttid på
100 år och varaktigheten 10 min överskrider dock den maximala vattenföringen för
ledningen, vilket innebär att överskottsvatten skulle stiga i kupolsilsbrunnarna och rinna i
dikena.
46
Tabell 5.16. Totalt flöde som ledningen skall ta hand om, framtagna med svenska och
tyska dimensioneringsmetoder för regn med återkomsttiderna 1, 10 respektive 100 år och
varaktigheterna 10 och 60 min för respektive återkomsttid.
Svensk metod
återkomsttid 1 år
Tysk metod
återkomsttid 1 år
Svensk metod
återkomsttid 10 år
Tysk metod
återkomsttid 10 år
Svensk metod
återkomsttid 100 år
Tysk metod
återkomsttid 100 år
Tot. flöde
10 min. varaktighet
(l/s)
25,6
Tot. flöde
60 min. varaktighet
(l/s)
9,5
10,6
0,0
52,7
19,0
63,2
1,8
155,3
48,1
225,8
31,1
5.4. Praktisk jämförelse – Fältundersökning
För att få fram verkliga värden på hur mycket vatten som infiltrerar i ett dike för att
jämföra med beräknade värden, mättes nederbörden och flöden i en dagvattenledning i ett
dike. Nederbörden mättes med en regnmätare av typen Casella Tipping Bucket Rain
Gauge, sammankopplad med en VeALogg, som placerades på ett tak i närheten av
platsen för flödesmätningen. För flödesmätningen användes en flödesmätare som kan
mäta area och hastighet, av typen Mainstream Portable. Denna placerades i inkommande
dagvattenledning till en nedstigningsbrunn och genom denna placering, erhölls totala
flöden för avrinningsområdet uppströms mätpunkten. All erhållen data har bearbetats av
VA SYD.
Utifrån nederbördsdata från ett regntillfälle tillsammans med flödesmätningar från samma
regntillfälle, kan mängden infiltrerad nederbörd beräknas.
Nedan följer en beskrivning av hur använd mätutrustning fungerar.
5.4.1. Nederbördsmätning
Tipping Bucket Rain Gauge med VeALogg
Regnet samlas upp av regnmätaren med hjälp av en tratt som leder vattnet till en
vippbräda inne i regnmätare. På vardera sidan av denna vippbräda finns det en skopa. När
skopan är fylld tippar vippbrädan och den fyllda skopan tömmer sitt innehåll på vatten.
Skoporna kan ta en bestämd mängd volym vatten och tid mellan varje tippning registreras
av VeALogg (Casella, 2013).
47
5.4.2. Flödesmätning
Area – Velocity Flowmeter
Flödesmätaren mäter hastigheten på vattnet i ledningen med hjälp av en sond som
placerats i ledningen. Sonden sänder ut ultraljud som träffar bubblor och partiklar i
vätskan och därmed skickas tillbaka till sonden. Utifrån den frekvensskillnad som uppstår
mellan det utsända och mottagna ultraljudet, kan flödeshastigheten bestämmas. Flödets
tvärsnittsarea tas fram med hjälp av en trycksensor som är nedsänkt i vattnet i ledningen.
Denna trycksensor mäter vätskedjupet i ledningen, med vilket sedan en tvärsnittsarea kan
fås fram. Flödet i ledningen beräknas genom att multiplicera flödets tvärsnittsarea med
flödeshastigheten (Mainstream, 2013). Flödesmätaren kan mäta flöden ner till 0,2 l/s
(Wolf, 2013).
5.4.3. Resultat av fältundersökning
Fältundersökningen pågick i cirka 5 månader (121127 - 130503) och under denna tid
kunde enstaka mindre regntillfällen utläsas utifrån insamlad nederbördsdata. Inga flöden
uppmättes i ledningen under denna period, vilket troligtvis berodde på att regnen var för
små.
Utifrån insamlad nederbördsdata för ett specifikt regntillfälle togs en intensitet fram samt
vilken varaktighet och återkomsttid som detta specifika nederbördstillfälle hade.
Det största regntillfälle som uppmättes under tiden för flödesmätningen visade på en
medelregnintensitet på 6,0 l/s ha vid ett regntillfälle. Varaktigheten för detta regn var 4,4
timmar och med hjälp av Dahlströms formel (ekvation 5) kunde återkomsttiden för detta
regn beräknas till 0,7 månader, det vill säga 21 dagar.
Som en kontroll av dimensioneringsmetoderna beräknades totalt flöde, flöde i respektive
dike samt vattendjup för den erhållna medelregnintensiteten på 6,0 l/s ha enligt både
svenska och tyska dimensioneringsmetoder. Resultaten tyder på att små flöden och
därmed även små vattendjup skulle uppstå i alla diken enligt den svenska Rationella
metoden (se tabell 5.17). Utifrån den tyska Tidkoefficientmetoden skulle dock inga
flöden och därmed inga vattendjup uppstå i något utav dikena för en regnintensitet på 6,0
l/s ha (se tabell 5.17).
Tabell 5.17. Totalt flöde, flöde i respektive dike samt motsvarande vattendjup som
uppstår vid en regnintensitet på 6,0 l/s ha enligt svenska och tyska
dimensioneringsmetoder.
D1
D2
MR 1
MR 2
Sverige
Flöde
Vattendjup
(l/s)
(m)
0,7
0,04
0,3
0,03
1,2
0,04
0,5
0,03
Tyskland
Flöde
Vattendjup
(l/s)
(m)
0
0,00
0
0,00
0
0,00
0
0,00
48
De dimensionerande flödena för urbana områden uppstår enligt Vägverket (2008) under
kraftiga sommarregn och om flödesmätningen hade genomförts under sommaren är det
möjligt att flödesmätningen gett resultat.
Enligt resultaten i tabell 5.17 skulle, enligt den svenska dimensioneringsmetoden, flöden
uppstå i samtliga diken för ett regn med medelregnintensiteten 6,0 l/s ha medan flödet
skulle bli 0 l/s ha i samtliga diken för samma regn enligt den tyska dimensioneringsmetoden. Detta tyder på att den tyska metoden ger en mer korrekt bild av verkligheten för
små flöden. Det minsta flöde som kan registreras av flödesmätaren är 0,2 l/s och därmed
borde det svenska totala flödet på 2,7 l/s registrerats. Eftersom flödet inte registrerades
visar detta att Rationella metoden inte är tillämpbar för små flöden.
49
50
6. Studie av Hortons ekvation
Det finns många likheter mellan de svenska och tyska dimensioneringsnormerna, men en
stor skillnad är hur hänsyn tas till förluster såsom infiltration. I Sveriges dimensioneringsmetoder används avrinningskoefficienter och i Tyskland används avrinningskoefficienter
och infiltrationskapaciteter. Både avrinningskoefficienterna och infiltrationskapaciteterna
används som konstanter och därmed tas inte hänsyn till att infiltrationen varierar med
tiden. Eftersom Hortons ekvation beskriver infiltrationen som funktion av tiden gjordes
en studie av Hortons ekvation för att se om det eventuellt går att implementera ekvationen
i metoder för beräkning av dimensionerande flöde.
Hortons ekvation beskriver infiltrationsförloppet i marken som en funktion av tiden, se
ekvation 2.
där
= infiltrationskapaciteten vid tiden t [mm/h]
= mättad infiltrationskapacitet [mm/h]
= infiltrationskapaciteten från början [mm/h]
= en konstant som beskriver hur infiltrationskapaciteten minskar [1/h]
= tiden som förflutit sedan infiltrationens början [h]
6.1. Studie av infiltrationsförlopp med Hortons ekvation
Olika referenser definierar parametrarna i Hortons ekvation på olika sätt och därför
presenteras definitioner av samt värden på parametrarna i Hortons ekvation från två olika
referenser; Butler & Davies (2004) samt Wilson (1990).
Enligt Butler & Davies (2004) anges parametern
enligt Wilson (1990).
i h-1 medan enheten för
är min-1
I tabell 6.1 visas värden på parametrarna i Hortons ekvation enligt Butler & Davies
(2004).
Tabell 6.1. Värden på parametrar i Hortons ekvation (Butler & Davies, 2004).
Jordtyp
Grovkornig jord
Mellankornig jord
Finkornig jord
Lera
(mm/h)
250
200
125
75
(mm/h)
25
12
6
3
(h-1)
2,0
2,0
2,0
2,0
Störst infiltrationskapacitet har de grovkorniga jordarterna följt av mellankornig jord och
finkornig jord. Lägst infiltrationskapacitet har lerjordar. Enligt Butler & Davies (2004)
har infiltrationskapaciteten ett värde då jorden är mättad på mellan 3-25 mm/h beroende
på jordart. Den initiala infiltrationskapaciteten, , är konstant för varje jordart och
51
varierar mellan 250 mm/h för grovkorniga jordar och 75 mm/h för lera. Enligt Hortons
ekvation avtar infiltrationskapaciteten med den konstanta parametern och enligt Butler
& Davies (2004) har parametern samma värde oavsett jordtyp, se tabell 6.1. I figur 6.1
visas infiltrationskapacitetens variation med tiden för jordartstyperna i tabell 6.1.
300
Infiltrationskapacitet (mm/h)
250
200
Grovkornig jord
150
mellankornig jord
Finkornig jord
100
Lera
50
0,0
0,4
0,9
1,3
1,7
2,1
2,5
2,9
3,4
3,8
4,2
4,6
5,0
5,4
5,9
6,3
6,7
7,1
7,5
7,9
8,4
8,8
9,2
0
Tid (h)
Figur 6.1. Diagram över infiltrationskapacitetens variation med tiden för fyra olika
jordtyper enligt Butler & Davies (2004).
Största avtagandet av jordens infiltrationskapacitet sker fram till cirka 0,6-1,2 h efter att
infiltrationsförloppet startar, då kurvan lutar brantast inom detta intervall. Av tabell 6.2
framgår att tiden det tar från det att vatten börjar infiltrera i jorden tills dess att jorden är
helt vattenmättad varierar mellan 3,7- 4,2 h.
Tabell 6.2. Tiden då den mättade infiltrationskapaciteten, fc, uppnås för respektive
marktyp baserat på värden från Butler & Davies (2004).
Jordtyp
Grovkornig jord
Mellankornig jord
Finkornig jord
Lera
fc
(mm/h)
25
12
6
3
Tid då fc uppnås
(h)
4,2
4,1
3,9
3,7
52
I tabell 6.3 visas värden på parametrarna i Hortons ekvation enligt Wilson (1990).
Tabell 6.3. Värden på parametrar i Hortons ekvation (Wilson, 1990).
Jordtyp
Standard jordbruksmark, barmark
Standard jordbruksmark, vegeterad
Fin sandig lera, barmark
Fin sandig lera, vegeterad
(mm/h)
280
900
210
670
(mm/h)
6-220
20-290
2-25
10-30
(min-1)
1,6
0,8
2,0
1,4
I figur 6.2 visas infiltrationskapacitetens variation med tiden för jordartstyperna som
presenteras i tabell 6.3. Infiltrationskapacitetens variation med tiden plottades två gånger
för samma jordartstyp, då värdet på den mättade infiltrationskapaciteten, , varierar för
varje jordart. Värdena som användes vid plottningen är det lägsta och högsta värdet på fc
för varje jordtyp.
1000
900
standard
bare,
Standardagricultural,
jordbruksmark,
fcbarmark,
= 6 mm/h
fc = 6 mm/h
Infiltrationskapacitet (mm/h)
800
700
standard
bare,
Standardagricultural,
jordbruksmark,
fcbarmark,
= 220 mm/h
fc = 220 mm/h
600
standard
turfed,
Standardagricultural,
jordbruksmark,
fc = 20 mm/h
fcvegeterad,
= 20 mm/h
500
standard
turfed,
Standardagricultural,
jordbruksmark,
fc = 290 mm/h
fcvegeterad,
= 290 mm/h
400
fine,
sandy lera,
clay,barmark,
bare, fc = 2
Fin sandig
fc = 2 mm/h
mm/h
300
200
fine,
sandy lera,
clay,barmark,
bare, fc = 25
Fin sandig
fc = 25 mm/h
mm/h
100
fine,
sandy lera,
clay,vegeterad,
turfed, fc =
Fin sandig
= 10 mm/h
10fcmm/h
0
fine,
sandy lera,
clay,vegeterad,
turfed, fc =
Fin sandig
= 30 mm/h
30fcmm/h
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Tid (min)
Figur 6.2. Diagram över infiltrationskapacitetens variation med tiden (Wilson, 1990).
I figur 6.2 framgår det att det tar längre tid innan vegeterade jordtyper når vattenmättat
tillstånd än jordtyper med barmark. Det kan också ses att tiden det tar från det att
infiltrationsförloppet börjar tills dess att den vattenmättade infiltrationskapaciteten nås är i
princip den samma för olika jordarter. Även den mättade infiltrationskapaciteten verkar
enligt figur 6.1 och 6.2 vara relativt oberoende av jordart.
En närmare analys av figur 6.2 tyder på att en del av värdena från Wilson (1990)
motsvarar regn med en återkomsttid på över 100 år. Om exempelvis kurvan för standard
vegeterad jordbruksmark studeras, uppnås den mättade infiltrationskapaciteten efter 12
53
min och denna har då ett värde av 290 mm/h vilket motsvarar cirka 806 l/s ha. Detta
innebär att en regnintensitet på över 806 l/s ha krävs för att kurvan för standard vegeterad
jordbruksmark (fc = 290 mm/h) ska gälla. Återkomsttiden för en sådan regnintensitet är
hög och inte vanlig vid dimensionering.
Av tabell 6.4 framgår att tiden det tar från det att vatten börjar infiltrera i jorden tills dess
att jorden är helt vattenmättad varierar mellan 5-13 min.
Tabell 6.4. Tiden då den mättade infiltrationskapaciteten, fc, uppnås för respektive
marktyp enligt Wilson (1990). För varje marktyp har infiltrationskapaciteten beräknas
utifrån två värden på fc.
Jordtyp
Standard jordbruksmark, barmark
Standard jordbruksmark, vegeterad
Fin sandig lera, barmark
Fin sandig lera, vegeterad
fc
(mm/h)
6
220
20
290
2
25
10
30
Tid då fc uppnås
(min.)
6
5
13
12
5
5
7
7
Värdena på parametrarna i Hortons ekvation varierar mellan olika referenser och det är
svårt att avgöra vilka värden som är korrekta. Vidare varierar parametervärdena från plats
till plats och det rekommenderas att studier utförs av det aktuella området för att få fram
exakta värden som gäller på just den platsen om hänsyn till infiltrationsförloppet ska tas
vid beräkning av flöden. Dock kan det antas att tendenserna som framgår i figur 6.2 gäller
allmänt för infiltrationsförloppet oavsett jordtyp och plats.
6.2. Jämförelse mellan Hortons ekvation och infiltration i tyska och
svenska dimensioneringsnormer
Hortons ekvation anses under förutsättning att representativa värden på parametrarna i
ekvationen används, spegla infiltrationsförloppet genom marken väl. För att se hur väl de
svenska och tyska beräkningsmetoderna för beräkning av infiltration stämmer överens
med Horton ekvation, jämfördes givna värden på parametrarna i Hortons ekvation med
tyska infiltrationskapaciteter och beräknade svenska infiltrationskapaciteter i en gräsbeklädd vägslänt.
6.2.1. Infiltrationskapacitetsvärden i de svenska och tyska dimensioneringsnormerna
I Tyskland ska värdet på infiltrationskapaciteten i ett dike sättas till mellan 100-300 l/s ha
och värdet på infiltrationskapaciteten anses vara konstant. I tabell 6.5 anges infiltrationskapaciteterna i enheten mm/h.
54
Tabell 6.5. Infiltrationskapacitet i gräsbeklätt vägdike enligt tyska normer.
Infiltrationskapacitet
(l/s ha)
100
300
Infiltrationskapacitet
(mm/h)
36
108
I de svenska dimensioneringsnormerna används inte infiltrationskapaciteter men en fiktiv
infiltrationskapacitet kan tas fram. En sådan infiltrationskapacitet beräknades enligt
ekvation 14.
där
f´ = fiktiv infiltrationskapacitet
i = regnintensitet
= avrinningskoefficient
Det antogs att allt vatten som inte rinner av till dagvattensystemet infiltrerar, det vill säga
ingen hänsyn togs till evaporation och dylikt. I tabell 6.6 visas framräknade fiktiva
infiltrationskapaciteter vid regn med olika återkomsttid och 10 minuters varaktighet.
Avrinningskoefficienterna som användes vid beräkningen är 0,2 (0,25 för återkomsttiden
100 år eftersom avrinningskoefficienter ska multipliceras med 1,25 vid beräkningar med
100-års regn), vilket representerar gräsklädda vägslänter.
Tabell 6.6. Utifrån avrinningskoefficienten för vägslänter beräknad infiltrationskapacitet
i ett vägdike enligt svenska dimensioneringsnormer.
Återkomsttid
(år)
Infiltrationskoefficient
(-)
Regnintensitet
(mm/h)
1
10
100
0,8
0,8
0,75
38,5
82,1
176,0
Fiktiv
infiltrationskapacitet
(mm/h)
30,8
65,7
132,0
De tyska värdena på infiltrationskapaciteten i ett vägdike varierar mellan 36 och 108
mm/h och de svenska värdena varierar för regn med en varaktighet på 10 min och
återkomsttiderna 1,10 och 100 år mellan 30,8 och 132 mm/h. De svenska och tyska
värdena har därmed ungefär samma storleksordning. Enligt de tyska normerna har
gräsbeklädda vägdiken en lägsta specifik infiltrationskapacitet på minst 150 l/s ha vilket
motsvaras av en infiltrationskapacitet på 54 mm/h. Enligt de svenska normerna ska diken
dimensioneras för ett 10 års regn i urban miljö och detta motsvarar ett ungefärligt fiktivt
infiltrationsvärde i dikena på 65,7 mm/h. Detta betyder alltså att det svenska och tyska
värdet på infiltrationskapaciteten i gräsbeklädda vägdiken stämmer väl överrens då dikena
i Sverige dimensioneras för ett 10 års regn.
Det är viktigt att poängtera att infiltrationskapaciteterna beror på olika faktorer i de båda
normerna. Sättet som dimensionerande flöde tas fram enligt de svenska normerna idag,
med Rationella metoden, innebär att mängden avrinning kommer öka med ökad regn55
intensitet. På samma sätt kommer därmed även förlusterna öka med ökad regnintensitet.
Dessutom ökar regnintensiteten med ökad återkomsttid och för återkomsttider på runt 100
år ska enligt de svenska normerna avrinningskoefficienten multipliceras med en faktor
1,25, se tabell 6.6. Detta innebär att den fiktiva svenska infiltrationskoefficienten blir
lägre för återkomsttiden 100 år. Slutligen kommer de framtagna infiltrationskapaciteterna
att bero på markens ytskikt eftersom infiltrationskoefficienterna togs fram utifrån
avrinningskoefficienter. Totalt sett kommer därmed den framtagna svenska infiltrationskapaciteten variera med regnintensiteten, markens ytskikt och återkomsttiden.
I de tyska normerna anses värdena på infiltrationskapaciteten variera beroende på
jordartstyp, vägens placering i förhållande till omgivande terräng samt vegetationstypen i
vägens sidoområde. En jord med hög vattengenomsläpplighet får ett högre värde på
infiltrationskapaciteten medan sidoområdestyper med finkornigt jordmaterial får ett lägre
värde. Variationen i infiltrationskapacitet beror alltså enligt de tyska normerna på främst
jordtyp men även vegetationen och om sidoområdet ligger i skärning eller på bank.
6.2.2. Jämförelse av Hortons ekvation med beräknade infiltrationskapaciteter enligt
svenska och tyska normer
En jämförelse gjordes, mellan infiltrationskapaciteterna i de två normerna och värden på
f0 och fc från tabell 6.1. Denna jämförelse baserades endast på värden på parametrarna i
Hortons ekvation från Butler & Davies (2004), då värdena från Butler & Davies (2004)
representerar jordartstyper med kornstorlek från lera till grovkornigt material medan
Wilson (1990) endast visar värden för två specifika jordartstyper. Då Wilson (1990)
menar att den mättade infiltrationskapaciteten beror av regnintensiteten krävs ett samband
mellan regnintensitet och mättad infiltrationskapacitet för att värden från Wilson (1990)
ska kunna användas.
Hortons ekvation kan, enligt Butler & Davies (2004) bara användas om regnintensiteten
överskrider den mättade infiltrationskapaciteten. De beräknade fiktiva svenska
infiltrationskapaciteterna togs fram för regnintensiteter som överskrider värdena på de
mättade infiltrationskapaciteterna som finns presenterade i tabell 6.1 och därmed är
förutsättningen för användandet av Hortons ekvation uppfyllt. Målet med jämförelsen var
att se hur hänsyn tas till infiltrationskapaciteten i normerna i dagsläget, det vill säga om
infiltrationskapaciteterna i normerna motsvarar värdet på f0, fp eller fc i Hortons ekvation.
Infiltrationskapaciteten i ett vegeterat vägdike varierar enligt de tyska normerna mellan
36 och 108 mm/h och i de svenska normerna mellan 30,8 och 132 mm/h. Dessa värden
matchar inte värdena på f0 eller fc i tabell 6.1, vilka varierar mellan 75-250 mm/h
respektive 3-25 mm/h. Däremot kunde det antas att infiltrationskapaciteterna i de två
normerna motsvarar infiltrationskapaciteten efter en viss tidpunkt, det vill säga fp. Baserat
på detta antagande undersöktes vilken denna tidpunkt kunde vara genom att använda
värden på f0 och fc från tabell 6.1. De erhållna tidpunkterna motsvarar därmed den
ungefärliga tid som det tar från det att infiltrationsförloppet startar tills dess att de svenska
och tyska infiltrationskapaciteterna uppnås i en vegeterad slänt.
Det lägsta värdet i de tyska normerna (36 mm/h) antogs gälla för finkorniga jordarter
medan det högre värdet (108 mm/h) antogs gälla för grovkorniga jordarter. Eftersom de
svenska fiktiva infiltrationskapaciteterna tagits fram utifrån avrinningskoefficienter
grundar dessa inte sig på jordarter. För att kunna jämföra vid vilken tid infiltrationskapaciteterna i de svenska och tyska beräkningsmetoderna inträffar beräknades tidpunkterna då de fiktiva svenska infiltrationskapaciteterna inträffar för både finkorniga och
56
grovkorniga jordarter. Vid framtagningen av tidpunkterna användes motsvarande värden
på f0 och fc för grovkorniga respektive finkorniga jordarter från tabell 6.1. Nedan
illustreras omskrivningen av Hortons ekvation för framtagning av tidpunkterna.
Resultaten visas i tabell 6.7.
Hortons ekvation:
Tabell 6.7. Beräknad tid det tar från det att infiltrationsförloppet startar tills dess att
infiltrationskapaciteterna motsvarande de i normerna uppnås i diket. Å – återkomsttid, ttot
– tid då mättade infiltrationskapaciteten uppnås.
Nation
Tyskland
Sverige
Jordart
Finkornig
Grovkornig
Finkornig
Grovkornig
Å
(år)
1
10
100
1
10
100
fp
(mm/h)
36
108
30,8
65,7
132
30,8
65,7
132
f0
(mm/h)
125
250
125
125
125
250
250
250
fc
(mm/h)
6
25
6
6
6
25
25
25
(h-1)
2
2
2
2
2
2
2
2
t
(min)
41,4
30,0
47,0
20,7
109,7
51,3
22,3
ttot
(h)
3,5
3,9
3,5
3,5
3,9
3,9
3,9
För att få en uppfattning om hur långt in i infiltrationsförloppet de framräknade tiderna i
tabell 6.7 uppkommer beräknades tiden det tar innan den mättade infiltrationskapaciteten
uppnås (ttot). Det vill säga tiden det tar innan fp = fc. Dock är inte Hortons ekvation giltig
för fp = fc och därför sattes fp till 0,1 mm/h större än fc. I en finkornig jord med värden på
f0 respektive fc enligt tabell 6.7, skulle det dröja ungefär 3,5 h från infiltrationens start tills
den mättade infiltrationskapaciteten uppnåtts. Motsvarande värde för en grovkornig
jordart beräknades till 3,9 h.
Vid jämförelse av tiderna då infiltrationskapaciteterna i normerna uppnås och tiden det tar
innan de mättade infiltrationskapaciteterna uppnås, återfanns infiltrationskapaciteterna i
normerna relativt snart efter att infiltrationsförloppet startat. Detta verkar rimligt då en
infiltrationskapacitet som uppnås vid en tid innan eller lika med regnets varaktighet måste
väljas för att Hortons ekvation ska vara giltig och de dimensionerande flödena återfinns
ofta för regn med relativt kort varaktighet. Dock var det svårt att avgöra vid vilken tid
57
infiltrationskapaciteterna bör väljas för framtagning av dimensionerande flöde och här
kan det behövas vidare studier för att göra en korrekt bedömning.
6.2.3. Kommentarer till jämförelsen av Hortons ekvation med beräknade
infiltrationskapaciteter enligt svenska och tyska normer
Om en finkornig jord med värden på f0, fc och enligt tabell 6.7 utsätts för ett
regn med en intensitet som överstiger värdet på fc och har en varaktighet längre än
41,4 minuter kommer infiltrationskapaciteten antagen i de tyska normerna för
finkorniga jordar (36 mm/h) att uppnås efter 41,4 min. Varar regnet i mer än 3,5 h
kommer den mättade infiltrationskapaciteten i den finkorniga jordarten att uppnås
efter 3,5 h. Detta gäller för samtliga värden i tabell 6.7, det vill säga även för de
svenska fiktiva infiltrationskapaciteterna. Dimensionerande regn i urbana miljöer
har sällan en varaktighet som uppgår till 40 min och detta tyder på att infiltrationskapaciteterna i normerna antingen är för låga, vilket delvis bekräftas i infiltrationsförsöken som gjorts i Tyskland, eller att Butler & Davies (2004) definition av
Hortons ekvation inte stämmer. Butler & Davies (2004) menar att regnintensiteten
måste överskrida den mättade infiltrationskapaciteten (fc) medan McCuen (2005)
menar att regnintensiteten ska överskrida infiltrationskapaciteten vid en viss tid
(fp).
Om värden på parametrarna i Hortons ekvation från Wilson (1990) hade använts i
jämförelsen mellan Hortons ekvation och de svenska och tyska infiltrationskapaciteterna, hade betydligt kortare tider erhållts för när infiltrationskapaciteterna
i normerna uppnås i jämförelse med resultaten från Butler & Davies (2004). Detta
har sin förklaring i att parametern definieras olika i de båda referenserna, enligt
Wilson (1990) anges i min-1 medan Butler & Davies (2004) anger den i h-1.
Dock är det möjligt att värdena är korrekta då McCuen (2005) menar att kan
variera mellan värden mindre än 1h-1 till mer än 20h-1.
Enligt Wilson (1990) varierar den mättade infiltrationskapaciteten med regnintensiteten vilket innebär att det vid högre regnintensiteter kan infiltrera en större
mängd vatten i marken än vid lägre regnintensiteter.
Jämförelsen visade även att tiden från infiltrationsförloppets början till dess att
den mättade infiltrationskapaciteten uppnås är ungefär densamma för både
finkorniga och grovkorniga jordarter, vilket tyder på att den mättade infiltrationskapaciteten är relativt oberoende av jordtyp.
58
7. Rationella metoden
En djupare studie av Rationella metoden gjordes då den största likheten mellan de
svenska och tyska dimensioneringsnormerna är att båda använder sig av Rationella
metoden för beräkning av dimensionerande flöde. Vidare är Rationella metoden den mest
använda metoden för framtagning av dimensionerande flöde i de svenska normerna.
Rationella metoden är en statistisk metod som lämpar sig bäst för mindre områden och
det dimensionerande flödet beräknas enligt ekvation 4a.
där
= dimensionerande flöde [l/s]
= dimensionerande regnsintensitet för rinntiden, tr [l/s ha]
= Avrinningsområdets area [ha]
= avrinningskoefficient [-]
(Svenskt Vatten P90, 2004)
Om avrinningsområdet inte är homogent kan det delas in i delområden,
, där
avrinningskoefficienten, , är densamma inom respektive delområde. Då beräknas det
dimensionerande flödet för området enligt ekvation 4b nedan.
I ett avrinningsområde med många olika marktyper som är jämnt spridda över hela
området kan en sammanvägd avrinningskoefficient bestämmas för området. Den
sammanvägda avrinningskoefficienten bestäms genom ekvation 15.
där
= är den sammanvägda avrinningskoefficienten för området [-]
= avrinningskoefficient för delarea [-]
= delarea [ha]
= totala arean för avrinningsområdet [ha]
Regnintensiteten
Regnintensiteten,
, i Rationella metoden är en blockregnsintensitet, vilken motsvarar
ett medelvärde på regnintensiteten för ett regn med en bestämd varaktighet. Det vill säga
den visar ej de variationer över tid som ett verkligt regn har.
Regnintensiteten är en funktion av återkomsttiden (T) för det valda regnet samt regnets
varaktighet. Vid dimensionering av ledningar väljs regnets återkomsttid utifrån typ av
59
område samt om ledningen i fråga är kombinerad eller separat dagvattenledning.
Regnvaraktigheten ska i Rationella metoden sättas lika med rinntiden för avrinningsområdet. Rinntiden, tr, är den tid det tar innan nederbörd från alla punkter i avrinningsområdet bidrar till ytavrinning i områdets uppsamlingspunkt. I Rationella metoden antas
rinntiden vara konstant, vilket den i verkligheten inte är. Rinntiden varierar nämligen med
avrinningsområdets egenskaper och regnintensiteten (Svenskt Vatten P104, 2011).
För svenska förhållanden kan Dahlströms formel användas för att ta fram blockregnsintensiteten och i den framgår det att regnintensiteten är en funktion av både regnvaraktigheten och återkomsttiden, se ekvation 5.
Dahlströms formel:
där
= regnintensitet [l/s ha]
= regnvaraktighet [min]
= återkomsttid [mån]
(Svenskt Vatten P104, 2011)
Avrinningskoefficienter
Avrinningskoefficienter används både inom de svenska och tyska dimensioneringsnormerna och utgör ett uttryck för den del av nederbörden som blir till avrinning.
Resterande del av nederbördsmängden antas vara förluster som till exempel avdunstning,
absorption av vegetationen, infiltration och magasinering i markojämnheter, och kommer
därmed inte bidra till någon avrinning.
De avrinningskoefficienter som används vid dimensionering av ledningar i Sverige är
teoretiskt och empiriskt framtagna och i avrinningskoefficienterna som anges i de svenska
dimensioneringsnormerna finns en viss säkerhetsfaktor inbyggd. Trots att avrinningskoefficienterna anges som konstanter har mätningar visat att avrinningskoefficienten
varierar med varaktigheten och intensiteten hos regnet. Dock råder det en viss osäkerhet
om hur avrinningskoefficientens beroende av varaktigheten ser ut; vissa anser att
avrinningskoefficienten borde öka med varaktigheten medan andra tycker att den bör
minska med regnets varaktighet (VAV, 1976). Enligt Vägverket (2008) samt Svenskt
Vatten P90 (2004) bör avrinningskoefficienterna även öka med ökad marklutning samt
ökad återkomsttid hos regnen. Det senare tas dock hänsyn till i VVMB 310 – Hydraulisk
dimensionering, där avrinningskoefficienterna multipliceras med 1,25 vid beräkningar för
återkomsttider på 100 år.
Vidare påverkas avrinningskoefficienten även av jordart, där tätare jordarter leder till en
större avrinning (Vägverket, 2008). Detta är dock inget som tas hänsyn till i de svenska
dimensioneringsnormerna.
60
Nedan presenteras de faktorer som har en påverkan på avrinningskoefficienten. De
faktorer som det tas hänsyn till/delvis hänsyn till i de svenska dimensioneringsnormerna
har markerats kursivt.
-
Regnets varaktighet
Regnintensiteten
Marklutning
Regnets återkomsttid
Jordart
Typ av markyta hos motsvarande område
I amerikansk litteratur som behandlar Rationella metoden finns långt fler värden på
avrinningskoefficienter än de som anges i svensk litteratur. Där beror valet av avrinningskoefficient på hydrologisk jordtyp, markanvändning och markytans karaktär samt
återkomsttid. Jorden delas in i fyra hydrologiska jordtypsgrupper, där indelningen beror
på främst avrinningspotential och infiltrationsförmåga. Vidare tas hänsyn till att
avrinningskoefficienten ökar för regn med högre återkomsttider genom införandet av en
så kallad frekvensfaktor för respektive återkomsttid; 25, 50 och 100 år. Denna
frekvensfaktor multipliceras med avrinningskoefficienten för regn med återkomsttiden 5
år (DNR, 2009). Frekvensfaktorerna för återkomsttiderna 25, 50 och 100 år visas i tabell
7.1.
Tabell 7.1. Frekvensfaktorer för regn med återkomsttider 25, 50 och 100 år.
Återkomsttid
(år)
25
50
100
Frekvensfaktor
(-)
1,1
1,2
1,25
7.1. Ingående parametrar i Rationella metoden
Antaganden som görs i Rationella metoden (Lyngfelt, 1981 och DNR, 2009):
Hela avrinningsområdet bidrar med flöde till utloppspunkten.
Detta antagande innebär att ingen hänsyn tas till att regn kan vara av lokal art
vilket bekräftar antagandet om att Rationella metoden endast är tillämpbar i
mindre avrinningsområden.
Återkomsttiden för det dimensionerande regnet sammanfaller med återkomsttiden
för blockregnsintensiteten.
Det dimensionerande regnet antas ha en varaktighet som är minst lika lång som
rinntiden till utloppspunkten i avrinningsområdet.
Regn antas falla som blockregn vilket innebär att regn antas falla med konstant
intensitet och därmed tas ingen hänsyn till att regnets intensitet varierar med tiden.
Ingen hänsyn tas till fukthalten i marken vid tidpunkten för regnets start.
61
7.1.1. Konsekvenser av antaganden i Rationella metoden
Återkomsttiden
I Rationella metoden görs antagandet att återkomsttiden för det dimensionerande regnet
sammanfaller med återkomsttiden för regnintensiteten. Detta kan illustreras i en omskrivning av Rationella metoden, se ekvation 4c. Omskrivningen visar att kvoten mellan
flödets variation med återkomsttiden,
, och regnintensitetens variation med återkomsttiden,
, antas vara konstant oberoende av återkomsttiden (Lyngfelt, 1981).
Detta får i sin tur betydelsen att avrinningskoefficienten, enligt ekvation 4c ska vara
konstant för alla återkomsttider. I Lyngfelt (1981) har studier gjorts av det
dimensionerande flödets och regnintensitetens variation med återkomsttiden. I resultatet
från studierna kunde det konstateras att flödets variation med återkomsttiden är större än
regnintensitetens variation med återkomsttiden vilket kan ses i figur 7.1 genom att
flödeskurvan lutar brantare än regnintensitetskurvorna. Detta betyder att avrinningskoefficienten i själva verket ökar med ökad återkomsttid. Detta tas i viss mån hänsyn till i
de svenska dimensioneringsnormerna ”VVMB 310 Hydraulisk dimensionering” där
avrinningskoefficienten för flöden med återkomstintervallet 100 år multipliceras med
värdet 1,25.
Figur 7.1. Regnintensitetens och flödets variation med återkomsttiden. Regnintensitetsoch flödeskurvan har olika lutning vilket visar på att avrinningskoefficienten varierar
med återkomsttiden (Lyngfelt, 1981).
62
Avrinningskoefficienten
Avrinningskoefficientens värde har mycket stor betydelse i Rationella metoden. Till
exempel ger en ökning respektive sänkning av avrinningskoefficienten med 20 % samma
storleksvarition i det dimensionerande flödet som om återkomsttiden ändras från 5 år till
2 respektive 15 år (DNR, 2009). Detta visar på hur viktigt det är att avrinningskoefficienter väljs så att de i så hög grad som möjligt representerar de verkliga förhållandena i det aktuella området.
Rinntid och varaktighet
Vad som också är intressant att påpeka är att Rationella metoden gäller under
förutsättning att varaktigheten för regnet sätts till områdets rinntid. I en studie av Lyngfelt
(1981) fann man att rinntiden beror, förutom på avrinningsområdets form, lutning, storlek
och markbeskaffenheter, även på regnintensiteten. I studien av Lyngfelt (1981) kunde det
konstateras att rinntiden för avrinningsområdena minskar med ökad regnintensitet, vilket
har sin förklaring i att vattenhastigheten ökar med ökat flöde. Detta innebär att det
beräknade värdet på regnets varaktighet blir kortare med en ökad regnintensitet. Så som
Rationella metoden används i de svenska dimensioneringsnormerna idag beräknas rinntiden för avrinningsområdet genom att rinnsträckan divideras med schablonvärden för
vattenhastigheten över olika ytor och då fås en rinntid som varaktigheten för regnet sätts
till. Utifrån denna varaktighet tas den dimensionerande regnintensiteten fram och därmed
tas ingen hänsyn till att rinntiden beror på regnintensiteten.
Lyngfelt (1981) presenterar i sin studie en beräkningsgång för hur rinntidens variation
med regnintensiteten kan bestämmas. Rinntidens variation med blockregnsintensiteten
bestäms för avrinningsområdet genom att rinntiden för olika regnintensiteter beräknas
med ekvation 7. För samma regnintensiteter beräknas varaktigheten för vald återkomsttid
med Dahlströms formel och den intensitet som ger samma rinntid beräknad genom
ekvation 7 som varaktigheten beräknad genom Dahlströms formel blir den dimensionerande regnintensiteten. I figur 7.2 förtydligas denna beräkningsgång där intensitetsvaraktighetskurvor framtagna med en tidigare version av Dahlströms formel plottas i
samma diagram som en kurva över rinntidens variation med regnintensiteten i området
framtagen med ekvation 7. I skärningspunkterna mellan dessa kurvor återfinns den
dimensionerande regnintensiteten för respektive återkomsttid. På detta sätt uppfylls
villkoret om att varaktigheten är lika med rinntiden i området.
Det bör dock poängteras att sambandet har tagits fram ur studier av sammansatta
avrinningsområden och beräkningsgången, som presenteras i ekvation 7, finns idag i de
svenska dimensioneringsnormerna för allmäna avloppsledningar, P90. Sambandet gäller
inte för vägområden utanför stadsbebyggelse men Lyngfelts samband är ett tydligt
exempel på hur rinntidens variation med regnintensiteten kan illustreras.
63
där
= rinntiden [min]
= huvudledningens längd fram till den längst uppströms liggande brunnen plus 80 meter [m]
= huvudledningens medellutning [-]
= regnintensiteten [l/(s ha)]
= deltagande avrinningsyta (reducerad area) [ha]
(Svenskt Vatten P90, 2004)
Om hänsyn tas till att rinntiden varierar med regnintensiteten kan det innebära att
avrinningskoefficienterna inte varierar med återkomsttiden då kurvorna i figur 7.1 blir
parallella då rinntiden sätts att variera med regnintensiteten (Lyngfelt, 1981).
Figur 7.2. Intensitets-varaktighetsdiagram med koncentrationstidens (= rinntidens)
variation med regnintensiteten redovisad. T(x) står för återkomsttiden i månader och tr
samt tc är koncentrationstiden i minuter. I punkten där koncentrationstidskurvan skär
intensitets-varaktighetskurvorna är koncentrationstiden = varaktigheten. (Lyngfelt,
1981). Bild modifierad av Mathilda Jägryd.
64
Deltagande avrinningsyta, Adel
Den deltagande avrinningsytan,
, beskrivs i Lyngfelt (1981) som de ytor av totala
avrinningsområdets yta som bidrar till direkt avrinning i dagvattensystemet. För den
deltagande avrinningsytan gäller att avrinningskoefficienten är 1,0. Om den deltagande
avrinningsytan,
, kan bestämmas rätt innebär alltså detta att inga avrinningskoefficienter behöver ansättas. Enligt Lyngfelt (1981) måste en detaljstudie av
avrinningsområdet göras för att bestämma vilka delar av avrinningsområdet som
motsvarar den deltagande ytan. Om regnvolymen som faller i ett område samt det
avrinnande flödet från samma område kan mätas upp för flera olika regntillfällen kan den
deltagande avrinningsytan bestämmas. Plottas avrunnen volym mot regnvolym i ett
diagram kan en rät linje anpassas efter punkterna (se figur 7.3) och lutningen på denna
räta linje motsvarar då den deltagande avrinningsytan i området. Utifrån ett samband av
denna typ som studerats i Lyngfelt (1981) kunde slutsatserna dras att det krävs en viss
bestämd regnvolym innan någon ytavrinning sker över huvudtaget. Detta talar för att
Rationella metoden endast kan användas för kraftigare dimensionerande regn och inte för
beräkning av avrinning till följd av mindre intensiva regn. Lyngfelts studie visade även att
endast en bestämd del av avrinningsområdet bidrog till ytavrinning, det vill säga Adel.
Figur 7.3. Avrunnen volym plottat mot regnvolymen för samma område. Punkterna
representerar olika regntillfällen och lutningen på den räta linje som kan approximeras
till dessa punkter motsvarar den deltagande avrinningsytan i området, Adel (Lyngfelt,
1981).
65
7.2. Alternativ till Rationella metoden
7.2.1. Alternativ Rationell metod
Rationella metoden kan enligt Lyngfelt (1981) tillämpas på ett bättre sätt för sammansatta
tätbebyggda områden om
bestäms samt att blockregnsintensiteten beräknas utifrån
rinntiden som funktion av regnintensiteten. Denna form av Rationella metoden
presenteras i ekvation 16.
där
= dimensionerande flöde för återkomsttiden, T.
= blockregnsintensitet för återkomsttiden, T, samt rinntiden, tc.
= ytan av avrinningsområdet som bidrar med avrinning till dagvattensystemet
Lyngfelt (1981) föreslår också en ny form av beräkningsgång för dimensionering av
ledningar i avrinningsområden som uppfyller förutsättningarna som gäller för
användandet av Rationella metoden. Denna ”dimensioneringsmetod” utgår från Lyngfelts
ovan beskrivna form av Rationella metoden. Beräkningsgången kan tillämpas då
ledningsnätets struktur, lutningar på ledningar och den deltagande ytavrinningen är känd
(Lyngfelt, 1981).
Beräkningsgång för dimensionering av dagvattenledning:
Välj ett antal olika ledningsdimensioner och bestäm det maximala dimensionerande flödet (q) för varje ledningsdimension med hjälp av Colebrook-diagram.
Bestäm den deltagande avrinningsytan,
Beräkna blockregnsintensiteten,
Beräkna rinntiden med ekvation 7.
Bestäm återkomstintervallet, T, för varje ledningsdimension. Detta görs genom
avläsning av återkomsttiden i ett intensitets-varaktighetsdiagram.
, för avrinningsområdet.
), ur: =
/
.
Genom denna beräkningsgång kan dimensioner på ledningarna bestämmas direkt efter
önskad återkomsttid.
7.2.2. Andra metoder för beräkning av specifik avrinning
I USA har det tagits fram två metoder som liksom Rationella metoden används för att ta
fram specifik ytavrinning. Det som skiljer dessa från Rationella metoden är att hänsyn i
dessa nya metoder enligt TxDOT (2004) tas till:
regnets fördelning över tiden
de initiala förlusterna interception och magasinering i fördjupningar, där
interception är den nederbörd som aldrig når markytan utan fastnar på trädens
lövverk och hinner evaporera innan markytan nås (Ward & Robinson, 2000)
66
att infiltrationsförmågan minskar med ökad regnvaraktighet
Förutom dessa tre större skillnader, är dessa metoder relativt lika Rationella metoden med
bland annat liknande parametrar. Den ackumulerade direkta avrinningen kan beräknas
enligt ekvation 17 (TxDOT, 2004).
där
R = ackumulerad direkt avrinning
P = potentiell maximal avrinning
Ia = initiala förluster såsom magasinering på ytan, interception och infiltration innan
ytavrinning hinner ske
S = potentiell maximal fördröjning
För att bestämma den potentiella maximala fördröjningen (S) används en parameter RCN
– runoff curve number som beror av jordens karaktär och ytskikt. Denna parameter
motsvarar den potentiella avrinningen som kan uppstå från ett icke fruset område, det vill
säga ett högt värde på RCN innebär att den potentiella avrinningen är hög. RCN tas fram
med hänsyn till om förhållandena i jorden är torra eller våta (TxDOT, 2004).
Det finns några olika sätt att beräkna dimensionerande flöde i den amerikanska
litteraturen, nedan anges vilka faktorer som påverkar det dimensionerande flödet enligt
TxDOT (2004).
Avrinningsområdets storlek
Klassificering av jorden
Fuktförhållandena i jorden
Hydrologiska förhållanden i ytskiktet
RCN – runoff curve number
Koncentrationstiden
Potentiell maximal fördröjning
Initiala förluster
Typ av nederbördsfördelning
Total nederbörd/potentiell maximal avrinning
Ackumulerad direkt avrinning
Dimensionerande delflöde
Justeringsfaktor för eventuella damm- eller träskområden inom avrinningsområdet
67
68
8. Analys
I litteraturstudien presenteras en rad faktorer som kan ha en inverkan vid infiltration,
däribland typ av jordart, fukthalt i jorden, vegetation och släntlutning. Resultaten av
studierna i denna rapport visar att alla dessa faktorer är viktiga vid beskrivningen av
infiltrationsförloppet.
8.1. Skillnader och likheter mellan svenska och tyska dimensioneringsnormer
Bara genom att läsa i de två ländernas dimensioneringsnormer för vägavvattning framgår
tydliga skillnader i de två ländernas sätt att tänka vid dimensionering. De tydligaste
skillnaderna är:
I Tyskland tas hänsyn till att vatten som rinner av från vägen kan infiltrera i
vägdikena ifall dessa inte mättas av regnet som faller direkt i dikena. En sådan
hänsyn tas ej i de svenska dimensioneringsnormerna.
I Sverige används avrinningskoefficienter för att bestämma hur stor mängd av
nederbörden som avrinner och hur stor del som utgör förluster såsom infiltration. I
Tyskland används avrinningskoefficienter endast för hårdgjorda ytor och istället
används infiltrationskapaciteter för vegeterade ytor för att bestämma mängden
förluster.
I Tyskland används främst diken för hantering av vägdagvatten och ledningar
undviks i så stor utsträckning som möjligt. I Sverige däremot används både
ledningar och diken kombinerat.
Sammanfattningsvis tyder resultaten från vår studie på att hänsynstagandet till att vatten
från vägbanan kan infiltrera i vägdiken har störst inverkan på skillnaden i dimensionerande flöde mellan normerna vid regn med återkomsttiden 1 år (det vill säga för lägre
intensiteter). Skillnaden i normernas sätt att beräkna förluster har störst inverkan vid
högre återkomsttider (10 och 100 år). Detta antas bero på att det vid regn med en lägre
intensitet inte uppstår så höga flöden och därför blir hänsynstagandet till att vatten kan
infiltrera i dikena den dominerande orsaken till skillnader i flöde mellan normerna. Högre
återkomsttider genererar i regel högre flöden och här blir de skilda sätt genom vilka
normerna beräknar förluster såsom infiltration den dominerande skillnaden mellan
normerna. Dock är det svårt att dra några absoluta slutsatser om vilken faktor som
dominerar vid vilken återkomsttid, då beräknade flöden inte kunde jämföras med verkliga
flöden eftersom några sådana ej erhölls från fältundersökningen.
Vidare kan det konstateras att de tyska dimensioneringsnormernas bedömning, att det
faktiskt kan infiltrera i dikena om dessa inte blivit mättade, är den mest korrekta av de
svenska och tyska dimensioneringsnormerna. Dock är det svårare att avgöra om
avrinningskoefficienter eller infiltrationskapaciteter ger rimligast bedömning av
avrinnings-/ infiltrationsförloppet.
I de tyska normerna används ett konstant värde för vägdikets infiltrationskapacitet medan
en konstant avrinningskoefficient används i de svenska normerna. I de svenska normerna
innebär detta att det alltid är en viss andel av nederbördsmängden som kommer att
69
infiltrera. Enligt Hortons ekvation når dock infiltrationskapaciteten ett konstant värde
med tiden och detta tas det ingen hänsyn till vid användandet av avrinningskoefficienter.
Den konstanta infiltrationskapaciteten i de tyska normerna är inte heller en korrekt bild av
verkligheten, då infiltrationskapaciteten enligt Hortons ekvation är beroende av tiden.
Vidare tas det inte i någon av normerna hänsyn till att jorden med tiden kommer att bli
vattenmättad.
I Tyskland används som nämnts tidigare endast avrinningskoefficienter för hårdgjorda
ytor. Anledningen till att inte infiltrationskapaciteter används för sådana ytor kan antas
vara att större mängden vägdagvatten kommer rinna av från dessa ytor och därmed har
det en så liten betydelse om det används avrinningskoefficienter eller anges en
infiltrationskapacitet för dessa ytor.
En av de större likheterna mellan de två dimensioneringsnormerna är att Rationella
metoden används i båda normerna.
8.2. Analys av resultat från beräkning av dimensionerande flöden i
diken
I Tyskland undviks ledningar och istället används diken för att leda undan avrinnande
vägdagvatten. I Sverige används ledningar kombinerat med diken för detta ändamål.
Resultaten från vår studie visar att ledningarna inom det studerade avrinningsområdet
troligtvis inte är nödvändiga utan vattnet kan tas omhand enbart av dikena då
avrinningsområdet befinner sig på en höjdpunkt. Dock kan ledningar ha en större
betydelse nedström där vattnet samlas vid höga flöden. Vid sådana tillfällen hjälps diken
och ledningar åt för att transportera bort vägdagvattnet och förhindra översvämningar.
Trots detta är det relativt vanligt att översvämningar förekommer i lågpunkter i det
svenska vägnätet idag. Ett sätt att undvika dessa översvämningar kan vara att precis som i
Tyskland undvika ledningar och till största del använda diken för bortforsling av avrunnet
vägdagvatten.
8.3. Studie av Hortons ekvation
I vår studie av Hortons ekvation påvisades att infiltrationsförloppet i huvudsak styrs av
markytans ytskikt och underliggande jordart. Andra faktorer som påverkar infiltrationsförloppet som diskuteras i studerad litteratur är markytans lutning, initiala vattenhalten i
marken samt regnintensiteten.
De fiktiva infiltrationskapaciteter som togs fram ur de svenska dimensioneringsnormerna
utifrån avrinningskoefficienter och regnintensitet varierar med regnintensiteten, markytans ytskikt och återkomsttiden, medan infiltrationskapaciteterna som används i de tyska
dimensioneringsnormerna beror av jordtyp, vegetation och om sidoområdet ligger i
skärning eller på bank. Detta innebär att ingen av de två normernas infiltrationskapacitet
tar hänsyn till att infiltrationskapaciteten varierar med tiden och andra faktorer som visat
sig ha stor betydelse för infiltrationsförloppet, såsom den mättade infiltrationskapcitetens
beroende av regnintensiteten. Den bästa lösningen hade varit om de två normernas sätt att
ta hänsyn till infiltration/avrinning kunde kompletteras med förslagsvis Hortons ekvation.
I tabell 6.7 visas tidpunkten då infiltrationskapaciteterna givna i normerna uppnås efter att
infiltrationsförloppet startat. Resultatet tyder på att de givna infiltrationskapaciteterna i
normerna är för lågt satta då det dröjer länge innan infiltrationskapaciteterna uppnås,
70
alternativt att definitionen av Hortons ekvation enligt Butler & Davies (2004), som
studien bygger på, är felaktig. Butler & Davies (2004) menar att regnintensiteten ska
överskrida den mättade infiltrationskapaciteten (fc) för att Hortons ekvation ska vara
giltig. Parametrar som lutning och regnintensitet tas det inte hänsyn till i Butler & Davies
(2004) och då resultatet från studien av normernas infiltrationskapacitet baseras på
värdena från Butler & Davies (2004) kan det antas att ett riktigare resultat kunde erhållas
om värdena varierade beroende på regnintensiteten. En sådan studie har dock inte
genomförts i detta arbete men krävs för att verifiera detta antagande. Dock saknas ett
samband för beroendet mellan mättad infiltrationskapacitet och regnintensiteten.
Vidare finns det en stor spridning i värdena på parametrarna i Hortons ekvation i olika
litteratur men enligt McCuen (2005) verkar samtliga parametervärden kunna stämma då
McCuen (2005) exempelvis nämner att fc kan variera med en faktor 100. Därför är det av
stor vikt att göra mätningar och ta fram exakta värden för den plats som undersöks. De
pengar som läggs på sådana mätningar kan fås igen i slutändan då dimensioneringen blir
mer korrekt och därmed minskar risken för översvämningar och överdimensionering.
8.4. Studie av Rationella metoden
Så som Rationella metoden används idag kommer rinntiden bero på avrinningsområdets
form, storlek, lutning samt markens ytbeklädnad men enligt studier från Lyngfelt (1981)
beror rinntiden även på regnintensiteten. För att uppfylla villkoret i Rationella metoden
om att varaktigheten är lika med rinntiden i området är det av vikt att ett samband mellan
rinntiden och regnintensiteten tas fram.
Enligt Rationella metoden är avrinningskoefficienten konstant och oberoende av
återkomsttiden för regnet. Studier som gjorts av Lyngfelt (1981) visar dock på att
avriningskoefficienten i själva verket ökar med ökad återkomsttid. Detta tas i viss mån
hänsyn till i de svenska dimensioneringsnormerna då avrinningskoefficienten för ett regn
med en återkomsttid på 100 år ska multipliceras med en faktor av 1,25. Det framgår inte i
normerna hur sambandet mellan avrinningskoefficienter och återkomsttiden ser ut, vilket
begränsar möjligheterna till att göra ett korrekt dimensioneringsarbete.
Avrinningskoefficienterna i Rationella metoden har en stor inverkan på det resulterande
dimensionerande flödet. Eftersom avrinningskoefficienten beror av flera faktorer såsom
regnets varaktighet, regnintensiteten, marklutning, regnets återkomsttid, jordart, typ av
markyta, avdunstning, växtupptag, infiltration samt magasinering i markojämnheter är det
av vikt att veta hur mycket de olika faktorerna påverkar avrinningen och under vilka
förutsättningar de avrinningskoefficienter som gäller i de svenska dimensioneringsnormerna idag är framtagna. Det är värt att nämna att det i de svenska dimensioneringsnormer som används idag inte finns någon hänvisning till hur avrinningskoefficienterna
är framtagna.
I amerikansk litteratur finns betydligt fler värden på avrinningskoefficienterna och valet
av avrinningskoeffcient görs baserat på hydrologisk jordtyp, markanvändning, markytans
karaktär samt återkomsttid. Omfattande studier av olika avrinningsområden i Sverige
borde kunna leda till ett liknande stort utbud av avrinningskoefficienter samt parametrar
som avrinningskoefficienterna beror av.
71
8.4.1. Skillnader och likheter i klimat samt jord- och bergarter mellan Sverige och
Tyskland
I tabell 8.1 presenteras likheter och skillnader i klimat samt berg- och jordarter mellan
Sverige och Tyskland. Häri framgår det tydligt att det inte förekommer någon större
skillnad i klimatet mellan de två länderna, med milda vintrar och en årsnederbörd som
ligger på samma nivå i de två länderna. Därmed kan denna likhet ej användas som en
förklaring till varför dimensioneringsnormerna skiljer sig åt i Sverige och Tyskland. Dock
kan klimatet anses vara en väsentlig faktor att ta hänsyn till i dimensioneringsnormerna,
då klimatet påverkar mängden nederbörd samt evaporationen vilket i sin tur påverkar
avrinningen. Vidare varierar klimatet stort beroende på var på jordklotet man befinner sig.
Detta kan ses som ytterligare ett argument till att ta hänsyn till denna faktor i
dimensioneringsnormerna, för att på så sätt få en så korrekt bild av verkligheten som
möjligt för att i sin tur tillåta en så korrekt dimensionering som möjligt.
Tabell 8.1. Skillnader och likheter mellan Sveriges och Tysklands klimat och berg- och
jordarter.
Klimat
Bergarter
Jordarter
Sverige
Årsnederbörd: 500-800 mm
Milda vintrar
Söder varmtempererade zonen
Norr kalltempererade zonen
I Skåne dominerar sedimentära
bergarter
I övriga landet dominerar gnejs och
granit
Morän dominerar
Under högsta kustlinjen förekommer
grus- och sandavlagringar samt leroch siltavlagringar
Tyskland
Årsnederbörd: 789 mm
Milda vintrar
Berggrunden domineras av
sedimentära bergarter
Inslag av äldre kristallina bergarter
samt vulkaniska bergarter
Morän, grus, sand och lera täcker
knappt halva Tyskland
Sedimentärt berg går i dagen i centrala
och södra delarna
Gällande bergarterna i Sverige och Tyskland, finns det endast likheter mellan södra
Sverige (Skåne) och Tyskland. I Skåne dominerar sedimentära bergarter, liksom i
Tyskland, medan resten av Sverige domineras av gnejs och granit. Jordartsmässigt finns
det dock en hel del likheter mellan de två länderna.
I de svenska och tyska dimensioneringsnormerna tas viss hänsyn till faktorer som bergoch jordarter i form av avrinningskoefficienter och infiltrationskapaciteter. Avrinningskoefficienterna i den svenska dimensioneringsnormen baseras på vilken typ av yta
nederbörden faller på. Därmed tas inte riktigt hänsyn till underliggande jordart. I
Tyskland däremot baseras värdet på infiltrationskapaciteten till viss del på typ av jordart,
där till exempel ett högre värde delges infiltrationskapaciteten då bankkonstruktionen
utgörs av sand. Baserat på detta kan det konstateras att ingen större hänsyn tas till
underliggande jordart i någon av de två normerna. Om ett effektivare sätt att ta hänsyn till
vilken berg- och jordart som finns på platsen tas fram, borde samma dimensioneringsnorm kunna appliceras på vilken plats som helst oberoende var i världen man befinner
sig. Vidare behöver data samlas in för alla olika jordtyper, varför det kan rekommenderas
att jordprover tas på aktuell plats innan dimensioneringsarbetet påbörjas.
72
9. Förslag till ny metod för beräkning av
dimensionerande flöde i vägdiken
Utifrån studien som presenteras i denna rapport, där svenska och tyska dimensioneringsnormer för vägavvattning jämfördes, kan ingen norm sägas vara mer korrekt än den
andra. Genom att kombinera delar från de svenska och tyska dimensioneringsnormerna
med Hortons ekvation och en modifierad variant av Rationella metoden togs ett förslag
till en dimensioneringsmetod för framtagning av dimensionerande flöde i vägdiken fram.
Den föreslagna dimensioneringsmetoden presenteras nedan:
1. Välj återkomsttid utefter hur ofta vägens avvattningssystem kan tillåtas överbelastas. Här krävs att en riskbedömning av konsekvenserna som kan uppstå för
olika återkomsttider görs och det är upp till den som gör beräkningarna av
dimensionerande flöde att utifrån denna riskbedömning välja dimensionerande
återkomsttid.
2. För vald återkomsttid ska en dimensionerande regnintensitet tas fram. Detta görs
genom att rinntiden beräknas för olika regnintensiteter utifrån ett samband mellan
rinntid och regnintensitet likt ekvation 7. För samma regnintensiteter ska
varaktigheten för regnintensiteterna tas fram utifrån ekvation 5 (Dahlströms
formel). Den dimensionerande regnintensiteten blir den intensitet som ger samma
värde på varaktigheten i ekvation 5 som rinntiden i sambandet mellan rinntid och
regnintensitet. Ekvation 7 är dock inte lämplig att använda för vägområden med
vegeterade diken då den gäller för sammansatta ytor inom tätbebyggda områden.
Istället föreslås att ekvation 6 används om regnintensiteten kan implementeras i
ekvationen.
där
T = rinntiden [min]
M = Mannings tal som beror på markytans typ (se tabell 4.3) [m1/3/s]
L = rinnsträckan [m]
S = markens lutning [m/m]
där
= nederbördsintensitet [l/(s ha)]
= regnvaraktighet [min]
Å = återkomsttid [mån]
3. Avrinningsområdet delas in i delområden beroende på typ av yta samt lutning.
Avrinningen från hårdgjorda ytor och icke-hårdgjorda ytor beräknas på olika sätt,
73
och därför skiljs dessa ytor åt. Även ytor som ger avrinning till olika ställen måste
beräknas som skilda delområden då hänsyn till vägdagvattnets flödesriktningar tas
vid dimensioneringen.
4. En infiltrationskapacitetskurva tas fram enligt Hortons ekvation för ickehårdgjorda ytor i avrinningsområdet. För att Hortons ekvation ska gälla måste den
dimensionerande regnintensiteten överstiga infiltrationskapaciteten. Värdena på
parametrarna i Hortons ekvation tas fram genom infiltrationsförsök på aktuell
plats alternativt hämtas från tabeller med representativa värden för det aktuella
området. Utifrån infiltrationskurvan väljs en infiltrationskapacitet för tiden t tc
där tc är rinntiden, det vill säga varaktigheten för den dimensionerande regnintensiteten. Här är det upp till den som dimensionerar att välja en
infiltrationskapacitet för en rimlig tid.
Hortons ekvation
där
= infiltrationskapaciteten vid tiden t [mm/h]
= mättad infiltrationskapacitet [mm/h]
= infiltrationskapaciteten från början [mm/h]
= en konstant som beskriver hur infiltrationskapaciteten minskar [1/h]
= tiden som förflutit sedan infiltrationens början [h]
5. Vid beräkning av dimensionerande flöde från avrinningsområdet ska hänsyn tas
till vägbanornas tvärlutning och att vägdagvattnet som rinner av från vägbanorna
vidare kan infiltrera i dikena om dessa inte mättats.
Avrinningsområdet har sedan tidigare delats in i mindre delområden utifrån typ av
yta samt lutning och dimensionerande flöde för hårdgjorda delområden tas fram
enligt ekvation 18 och för vegeterade delområden (vägdiken) enligt ekvation 19.
där
= dimensionerande flöde från hårdgjorda delområden [l/s]
= dimensionerande regnintensiteten för vald återkomsttid, Å, och rinntiden, tc
[l/(s ha)]
= avrinningskoefficient för ytan inom delområdet [-]
area av delområdet [ha]
där
= dimensionerande flöde från vegeterade delområden [l/s]
= sedan tidigare vald infiltrationskapacitet för aktuellt område [l/s ha]
74
6. Erhålls negativa värden på flödet i diket innebär det att diket inte blivit mättat och
därmed kan motsvarande mängd vägdagvatten från intilliggande vägbana infiltrera
i diket. Det slutgiltiga dimensionerande flödet i diket kommer därmed utgöras av
vägdagvattnet från vägbanan adderat med det negativa värdet på flödet i diket och
därmed tas hänsyn till att vatten från vägbanan kan infiltrera i diket. Är däremot
diket mättat innan det från vägbanan avrinnande vägdagvattnet når diket kommer
vägdagvattnet inte kunna infiltrera i diket. Detta utförs för samtliga diken, se
ekvation 20, och det dimensionerande flödet i respektive dike används för att
dimensionera respektive dike, det vill säga finna lämpliga dikestvärsnitt.
9.1. Kommentarer till föreslagen
dimensionerande flöde i vägdiken
metod
för
beräkning
av
Samband mellan rinntid och regnintensitet
Ekvation 7 är framtagen för sammansatta områden där den direkta avrinningen till dagvattensystemet sker från de hårdgjorda ytorna. För avrinningsområden som den
föreslagna metoden är framtagen för, alltså vägområden med vegeterade diken, kommer
den direkta avrinningen att ske från de hårdgjorda ytorna till dikena och via dikena till
dagvattensystemet. Därmed kommer ingen direkt avrinning från de hårdgjorda ytorna till
dagvattensystemet att ske vilket innebär att Adel blir noll. I den föreslagna metoden
rekommenderas att diken används för bortledning av vatten istället för ledningar och
därmed gäller inte definitionen av
för denna typ av områden.
Dock är det viktigt att hänsyn tas till att rinntiden varierar med regnintensiteten och om
ekvation 6 kompletteras med en parameter för regnintesiteten kan ekvation 6 användas för
detta ändamål. Anledningen till att ekvation 6 anges som förslag är att det i denna
ekvation tas hänsyn till markytans ytråhet, vilket anses vara ytterligare en viktig faktor att
ta hänsyn till vid beräkning av rinntid.
Avrinningskoefficienter och infiltrationskapacitet
För hårdgjorda ytor beräknas ingen infiltrationskapacitet med hjälp av Hortons ekvation i
den nya metoden, utan en avrinningskoefficient sätts för dessa ytor utifrån angivna värden
i de svenska dimensioneringsnormerna. Att avrinningskoefficienter kan användas för
hårdgjorda ytor beror på att det är en betydligt mindre andel av vattnet som kommer att
infiltrera i denna typ av ytor och hänsyn till infiltrationskapaciteten blir således inte en
lika viktig parameter för de hårdgjorda ytorna som för de icke-hårdgjorda ytorna.
Samband mellan regnintensitet och infiltrationskapacitet
I den föreslagna metoden tas infiltrationskapacitetskurvan fram utifrån uppmätta värden
på parametrarna i Hortons ekvation. Enligt Wilson (1990) råder ett samband mellan
regnintensitet och infiltrationskapacitet vilket inte har tagits hänsyn till i den föreslagna
metoden. Om ett sådant samband kan tas fram bör detta implementeras i den föreslagna
metoden.
75
Hortons ekvation
Ett av villkoren för att Hortons ekvation ska gälla är att infiltrationskapaciteten ska
överskridas av regnintensiteten. Dock definieras detta villkor på olika sätt i olika
referenser. I viss litteratur ska regnintensiteten överskrida den mättade infiltrationskapaciteten (fc) medan annan litteratur menar att det är infiltrationskapaciteten vid en viss
tid (fp) som ska vara lägre än regnintensiteten. För att den föreslagna beräkningsgången i
den nya metoden för framtagning av dimensionerande flöde ska gälla krävs att regnintensiteten överskrider den mättade infiltrationskapacieten. Om det andra villkoret för
Hortons ekvation skulle gälla (att regnintensiteten i varje tidpunkt måste överskrida fp)
skulle det innebära att det aldrig kommer kunna infiltrera vatten från vägbanan i dikena
då dessa blir vattenmättade vid varje regntillfälle. Då metoden utgår från en konstant
blockregnsintensitet och vi anser att vatten från vägbanan vid de flesta dimensionerande
regnintensiteter till viss del kan infiltrera i vägdikena så kan inte Hortons ekvation
användas för att beskriva infiltrationsförloppet i den nya metoden om regnintensitetet ska
överskrida fp i varje tidpunkt. Det är därför av intresse att finna hur villkoret för Hortons
ekvation ser ut.
För att kunna göra ett kvalificerat val av infiltrationskapaciteten efter en viss tid utifrån
infiltrationskurvan kan återhämtningskurvan för infiltrationskapaciteten i jorden behöva
studeras. Återhämtningskurvan beskriver hur lång tid det tar innan infiltrationskapaciteten
i jorden når det initiala värde den hade innan regntillfällets början och därmed kan en
uppfattning om hur länge eventuellt vatten i dikena förekommer. En studie av återhämtningskurvan kan leda till att en annan infiltrationskapacitet väljs som dimensionerande än om endast infiltrationskurvan studeras. Därför är det av intresse att vidare
studera infiltrationskapacitetens återhämtning.
I Rationella metoden tas ingen hänsyn till den initiala vattenhalten i jorden, men då
infiltrationskapaciteten beror av vattenhalten i marken är detta en viktig parameter att ta
hänsyn till vid framtagandet av dimensionerande flöde. En studie av ett sådant samband
mellan vattenhalten i marken och infiltrationskapaciteten kan leda till förbättringar av
Rationella metoden.
Ledningar och diken
Den föreslagna metoden ska användas för att ta fram ett tvärsnitt på dikena, det vill säga
dimensionera dikena. Ledningar ska undvikas i så stor utsträckning som möjligt och det
är upp till ingenjören att avgöra när ledningar behövs. För att förhindra att stora mängder
vatten från uppströms når lågpunkter kan diken etappvis ledas bort från vägen av
bortledande diken. De bortledande dikena kan till exempel leda vattnet till ett magasin där
det tillfälligt magasineras då det råder höga regnintensiteter. Genom att i så stor grad som
möjligt undvika ledningar sänks kostnaderna vid anläggningsarbetet då inga ledningsgravar grävs och fylls samt att själva ledningarna uteblir. Vidare kan det antas att risken
för översvämningar minskar tack vare att vatten från högpunkter leds bort och därmed
förhindras från att nå lågpunkterna. Om denna risk minskas är det i sig en stor penningbesparing.
76
10. Slutsatser
Från studien där svenska dimensioneringsnormer för vägavvattning jämfördes med
motsvarande norm i Tyskland kunde två huvudsakliga skillnader mellan de två normerna
konstateras. I den tyska dimensioneringsmetoden för framtagning av dimensionerande
flöde tas hänsyn till att flödet från ett avrinningsområde reduceras genom infiltration då
det avleds i vägdikena om dessa inte mättats. I den svenska dimensioneringsmetoden tas
ingen hänsyn till en sådan reduktion vid avledning i vägdiken utan dimensionerande flöde
kommer att vara detsamma oavsett om det avleds i diken eller ledning. Den andra stora
skillnaden är att i Tyskland skiljs vegeterade ytor från hårdgjorda ytor och för de
vegeterade ytorna används infiltrationskapaciteter medan de hårdgjorda ytorna tilldelas
avrinningskoefficienter. I Sverige används avrinningskoefficienter för samtliga ytor.
En annan viktig skillnad mellan de två ländernas sätt att dimensionera vägens
avvattningssystem är att främst diken används för hantering av vägdagvatten i Tyskland
och ledningar undviks i så stor utsträckning som möjligt. I Sverige däremot används både
ledningar och diken kombinerat. Dock visade studien att ledningar till stor del inte är
nödvändiga i Sverige heller. Istället kan det utifrån studien rekommenderas att de svenska
dimensioneringsnormerna följer normerna i Tyskland och använder ledningar enbart där
det anses nödvändigt och istället används diken för hantering av vägdagvatten.
Trots de funna skillnaderna gick det inte att med denna studie avgöra om en av
dimensioneringsnormerna är mer korrekt än den andra. För det krävs ytterligare studier.
Den största likheten mellan de två ländernas normer är att principerna i Rationella
metoden används vid framtagning av dimensionerande flöde.
Förslag till förbättringar av den svenska dimensioneringsnormen för vägavvattning togs
fram utifrån studierna av dimensioneringsnormerna i Sverige och Tyskland samt
Rationella metoden och Hortons ekvation. Förhoppningen med förslagen är att väcka
diskussion kring hur den nuvarande dimensioneringsmetoden i Sverige ser ut, vad den
grundar sig på och hur den kan förbättras och förhoppningsvis kan förslagen användas
som underlag vid en eventuell framtida förbättring av den svenska dimensioneringsnormen för vägavvattning.
77
78
11. Framtida studier
Praktisk jämförelse av svenska och tyska beräkningsmetoder för vägavvattning
Den praktiska fältstudien som genomfördes, där uppmätta flöden i ett dike skulle
jämföras med teoretiskt framtagna flöden, gav inget resultat på grund av brist på
nederbörd. Denna studie bör göras om och flöden bör då mätas under en längre period
och gärna under sommaren, då Vägverket (2008) menar att dimensionerande flöden för
urbana områden uppstår under kraftiga sommarregn. Efter en sådan studie kan det lättare
dras slutsatser om huruvida det är de svenska eller de tyska beräkningsmetoderna som ger
mest korrekta värden på dimensionerande flöden i vägdiken.
Vidare kan det vara av intresse att undersöka vilket regn som krävs för att det ska uppstå
ett synligt flöde i dikena. En sådan undersökning kan innefatta både flödesmätning samt
okulära undersökningar på den aktuella platsen.
Hortons ekvation
För att Hortons ekvation ska gälla måste regnintensiteten vara högre än infiltrationskapaciteten, dock är detta villkor formulerat på olika sätt i olika referenslitteratur. Därför
bör det vidare undersökas om regnintensiteten ska överstiga infiltrationskapaciteten vid
en viss tid (fp) eller infiltrationskapaciteten efter en längre tid, enligt viss litteratur den så
kallade infiltrationskapaciteten vid vattenmättnad (fc).
Rationella metoden och svenska dimensioneringsnormer
I Rationella metoden tas ingen hänsyn till den initiala vattenhalten i jorden. Infiltrationskapaciteten beror av vattenhalten i marken och därför är detta en viktig parameter att ta
hänsyn till vid framtagandet av dimensionerande flöde. Vidare studier bör göras av
infiltrationskapacitetens variation med fukthalt samt för vilka markförhållanden som det
dimensionerande flödet bör tas fram. Frågor som är intressanta att vidare studera är om
det finns statistik eller samband som visar på att de dimensionerande regnen förekommer
under torra eller blöta perioder. Om ett samband finns bör ställning tas till om det
dimensionerande flödet ska bestämmas med utgångspunkt i att marken är torr eller blöt.
I de svenska dimensioneringsnormerna tas en viss hänsyn till att avrinningskoefficienterna bör bli högre vid höga återkomsttider, det vill säga mer avrinning uppstår
vid höga återkomsttider. Dock finns det inget givet samband mellan avrinningskoefficienter och återkomsttid. Ett sådant samband är av intresse då det leder till en mer
korrekt dimensionering.
Ny metod för framtagning av dimensionerande flöde
Enligt Wilson (1990) råder det ett samband mellan regnintensiteten och den mättade
infiltrationskapaciteten. Detta samband bör tas fram för att sedan kunna implementeras i
den svenska dimensioneringsmetoden.
I den föreslagna dimensioneringsmetoden bör bland annat parametern Lh80 vidare studeras
och omdefinieras för vägområden då definitionen på parametern i Lyngfelt (1981) gäller
för sammansatta bebyggda områden. Eventuellt bör ett helt nytt samband mellan rinntid
79
och regnintensitet tas fram som gäller för vägområden utanför bebyggelse då det
förekommer flera osäkerheter i den ekvation som används för detta ändamål i Lyngfelt
(1981).
Vid framtagning av infiltrationskapacitetskurvan för ett specifikt dike behövs värden på
parametrarna i Hortons ekvation, vilka ska tas fram genom infiltrationsförsök på aktuell
plats eller hämtas från tabeller med representativa värden för det aktuella området. Om
det föreslagna beräkningssättet ska användas bör förslagsvis värden på parametrarna, fc,
och f0 bestämmas för ett antal olika vägdiken i Sverige. Förslagsvis bör infiltrationskapaciteten bestämmas för vägdiken med olika jordartstyper (grovkornigt till finkornigt),
för mark med olika ytbeklädnad (vegeterade och icke-vegeterade) samt olika släntlutningar. I avsnitt 3.1.3 beskrivs en beräkningsgång för framtagning av parametrarna
och f0 då fp och fc mätts upp genom infiltrationsförsök och denna beräkningsgång kan
tillämpas då värdena på parametrarna ska tas fram.
För att kunna göra ett kvalificerat val av infiltrationskapaciteten i ett specifikt dike utifrån
infiltrationskurvan bör även kurvan för infiltrationskapacitetens återhämtning studeras.
En del formler för en sådan återhämtningskurva finns presenterade i McCuen (2005) men
dessa bör studeras mer ingående och utvärderas för ett eventuellt kompletterande i den
föreslagna normen. Genom att studera infiltrationskapacitetens återhämtning efter ett regn
och också hur infiltrationskapaciteten varierar med tiden då flera regn faller relativt tätt
efter varandra, kan även sambandet mellan infiltrationskapacitet och markens vattenhalt
bestämmas.
80
Referenser
Billberger, M. (2013). Muntlig källa. Trafikverket.
Butler, D. & Davies, J.W. (2004). Urban Drainage, Second Edition. Abingdon: Spon
Press.
Casella. (2013). Tipping Bucket Rain Gauge. [Elektroniskt] Informationsblad. Bedford,
Casella. Tillgänglig: http://www.casellameasurement.com/cl_ne_hydrologyrainfall.htm
[2013-01-13]
Clar, M.L., Barfield, B.J. and O`Connor, T.P. (2004). Stormwater Best Management
Practice Design Guide Volume 2 Vegetated Biofilters. [Elektoniskt] Dokument.
Cincinnati, U.S. Environmental Protection Agency. Tillgänglig:
http://nepis.epa.gov/Exe/ZyNET.exe/901X0B00.TXT?ZyActionD=ZyDocument&Client
=EPA&Index=2000+Thru+2005&Docs=&Query=&Time=&EndTime=&SearchMethod=
1&TocRestrict=n&Toc=&TocEntry=&QField=&QFieldYear=&QFieldMonth=&QField
Day=&IntQFieldOp=0&ExtQFieldOp=0&XmlQuery=&File=D%3A\zyfiles\Index%20D
ata\00thru05\Txt\00000011\901X0B00.txt&User=ANONYMOUS&Password=anonymou
s&SortMethod=h|&MaximumDocuments=1&FuzzyDegree=0&ImageQuality=r75g8/r75g8/x150y150g16/i
425&Display=p|f&DefSeekPage=x&SearchBack=ZyActionL&Back=ZyActionS&Back
Desc=Results%20page&MaximumPages=1&ZyEntry=1&SeekPage=x&ZyPURL#
[2013-02-05]
Deletic, A. (2001). Modelling of water and sediment transport over grassed areas.
Journal of Hydrology, 248 (2001), 168-182.
DNR (2009). Iowa Stormwater Management Manual, Part 2C-Storm Water Hydrology
[Elektroniskt] Dokument. Iowa Department of Natural Resources. Tillgänglig:
http://www.iowadnr.gov/Portals/idnr/uploads/water/stormwater/manual/stormwatermanua
l.pdf [2013-05-28]
DWD (2012). Zahlen und Fakten zum Klima in Deutschland. [Elektroniskt] Dokument.
Deutscher Wetterdienst. Tillgänglig:
http://www.dwd.de/bvbw/generator/DWDWWW/Content/Presse/Pressekonferenzen/2011
/PK__26__07__11/ZundF__PK__20110726,templateId=raw,property=publicationFile.pd
f/ZundF_PK_20110726.pdf [2013-02-20]
DWD. (2013). The climate of germany. [Elektroniskt] Dokument. Deutscher
Wetterdienst. Tillgänglig:
http://www.dwd.de/bvbw/appmanager/bvbw/dwdwwwDesktop;jsessionid=2GJ8RT2JVX
L9X2pFrSShDjQzLMK8hVygrJcnfCW6DKlMhZPgpBPC!635276470!1382710259?_nf
pb=true&_windowLabel=dwdwww_main_book&T15802738371146814731966gsbDocu
mentPath=&switchLang=en&_pageLabel=_dwdwww_klima_umwelt_ueberwachung_de
utschland [2013-02-07]
Eckelmann, W. (u.d.). Soil Information for Germany: the 2004 Position. European Soil
Bureau – Research Report No 9. [Elektroniskt] Dokument. Tillgänglig:
81
http://eusoils.jrc.ec.europa.eu/esdb_archive/eusoils_docs/esb_rr/n09_soilresources_of_eur
ope/Germany.pdf [2013-03-08]
Fairbridge, R.W. & Moores, E.M. (1997). Encyclopedia of European and Asian Regional
Geology. Chapman and Hall, London.
Fetter, C.W. (2001). Applied Hydrogeology, Fourth Edition. Upper Saddle River, New
Jersey: Prentice-Hall.
Google & TerraMetrics, 2013. Google maps, sökord: Malmö
Hansson, K., Hellman, F., Svensson, L-G. och Enkell, K. (2012). Utvärdering av
djupdränering och effekt av tätad stödremsa och innerslänt utmed väg 126, Torpsbruk.
[Elektroniskt] Dokument. VTI. Tillgänglig:
http://www.vti.se/sv/publikationer/utvardering-av-djupdranering-och-effekt-av-tatadstodremsa-och-innerslant-utmed-vag-126-torpsbruk/ [2013-02-22]
Hansson, K., Lundin, L-C. och Simunek, J. (2005). Modeling Water Flow Patterns in
Flexible Pavements. Transportation Research Record: Journal of the Transportation
Research board, 1936. 133-141.
Hansson, M. & Palm, A. (2008). Fogmaterialets betydelse för en hållbar
gatstensbeläggning- förebyggande av ogräs. [Elektronisk] Publikation: 2008:4. SLU,
Alnarp. Tillgänglig:
http://ex-epsilon.slu.se:8080/archive/00002244/01/Examensarbete.pdf [2013-02-04]
Högström, J. (2013). Muntlig källa. Trafikverket.
Lecher, K & Ludwig, K. (1985). Abflüsse von Strassen mit offenen Längsentwässerungen.
Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und landwirtschaftlichen Wasserbau Universität
Hannover. Tillgänglig: Forschung Strassenbau und Strassenverkehrstechnik, Heft 509,
1987
Lyngfelt, S. (1981). Dimensionering av dagvattensystem – Rationella metoden,
Geohydrologiska forskningsgruppen, Chalmers tekniska högskola, Göteborg.
Mainstream. (2013). Mainstream Portable – Ultrasonic Area-Velocity Flowmeter for
Open Channels and Part-Filled Pipes. [Elektroniskt] Informationsblad. Skipton,
Mainstream Measurements. Tillgänglig:
http://www.sensor-products.com/products/portable_specifications.htm [2013-01-13]
McCuen, R.H. (2005). Hydrologic Analysis and Design, Third Edition. Upper Saddle
River, New Jersey: Prentice Hall.
Paulsson, T. (2008). Infiltration i vägslänt – Fältundersökning av infiltrationsförmågan i
en vägslänt längs E4/E20 i Salems kommun. Examensarbete: Institutionen för Mark- och
vattenteknik, Kungliga Tekniska Högskolan, Stockholm. Tillgänglig:
http://www2.lwr.kth.se/Publikationer/PDF_Files/LWR_EX_08_23.PDF [2013-05-28]
RAS. (2005). Richtlinien für die Anlage von Strassen (RAS) – Teil: Entwässerung (RASEw). FGSV, Köln
82
Rushton, B.T. (2001). Low-Impact parking lot design reduces runoff and pollutant loads.
Journal of water resources planning and management. Tillgänglig:
http://conservation.ufl.edu/urbanforestry/Resources/PDF%20downloads/Rushton_2001.p
df [2013-05-28]
SMHI. (2009). Sveriges klimat. Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut.
Tillgänglig:
http://www.smhi.se/kunskapsbanken/klimat/sveriges-klimat-1.6867 [2013-02-07]
Strandahl, J. (2010). Förslag till E- moduler till PMS Objekt.[Elektronisk] Publikation:
Trafik och väg:184. Lunds tekniska högskola. Tillgänglig:
http://www.tft.lth.se/fileadmin/tft/dok/publ/5000/Thesis_184_JS_scr.pdf [2013-02-04]
Svenskt vatten P90. (2004). Dimensionering av allmänna avloppsledningar. Publikation:
P90, Svenskt Vatten AB
Svenskt Vatten P104. (2011). Nederbördsdata vid dimensionering och analys av
avloppssystem. Publikation: P104, Svenskt Vatten AB, Solna
Svensson, C. (2008). Kompendium i Teknisk Geologi AK – höstterminen 2008. Lund:
Avdelningen för Teknisk Geologi, Lunds Universitet
Trafikverket. (1994). ATB Väg 94 - Avvattning och dränering. Publikation: 1994:88.
[Elektronisk] Rapport. Trafikverket. Tillgänglig:
www.trafikverket.se/PageFiles/30030/1994_88_avvattning_och_dranering.pdf [2013-0204]
Trafikverket. (2005). ATB Väg – Dimensionering. Publikation: 2005:112. [Elektronisk]
Rapport. Trafikverket. Tillgänglig:
www.trafikverket.se/PageFiles/29996/kapitel_c_dimensionering.pdf [2013-02-04]
Trafikverket. (2007). VVTBT Obundna lager. Publikation: 2007:117. [Elektronisk]
Rapport. Borlänge: Trafikverket. Tillgänglig:
publikationswebbutik.vv.se/upload/3775/2008_vvtbt_obundna_lager_publ_2007_117m2.
pdf [2013-02-04]
Trafikverket. (2009). VVK Väg. Publikation: 2009:120. [Elektronisk] Rapport.
Trafikverket. Tillgänglig:
publikationswebbutik.vv.se/upload/5094/2009_120_vvk_vag.pdf [2013-02-04]
Trafikverket. (2009-2010). Vägarkitektur – Yttre Ringvägen i Malmö. [Elektronisk]
Exempelbanken. Tillgänglig: www.exempelbanken.se/examples/3005 [2013-02-04]
Trafikverket. (2011a). TRVK Väg. Publikation: TRV 2011:072. [Elektronisk] Rapport.
Borlänge: Trafikverket. Tillgänglig:
publikationswebbutik.vv.se/upload/6335/2011_072_TRVK_vag_2.pdf [2013-02-04]
Trafikverket. (2011b). Vägdagvatten- Råd och rekommendationer för val av miljöåtgärd.
Publikation 2011:112. [Elektronisk] Rapport. Borlänge. Trafikverket. Tillgänglig:
http://publikationswebbutik.vv.se/upload/6442/2011_112_vagdagvatten_rad_och_rekom
mendationer_for_val_av_miljoatgard.pdf [2013-02-04]
83
Trafikverket. (2011c). Tvådimensionell transport av salt, vatten och värme i vägkroppen.
Publikation 2010:100. [Elektronisk] Rapport. Borlänge, Trafikverket. Tillgänglig:
http://publikationswebbutik.vv.se/shopping/ShowItem____5243.aspx [2013-02-14]
Turner, E.R. (2006). Comparison of infiltration equations and their field validation with
rainfall simulation. [Elektroniskt] Dokument. College Park, Maryland: University of
Maryland – Department of Biological Resources Engineering. Tillgänglig:
http://drum.lib.umd.edu/bitstream/1903/4218/1/umi-umd-4033.pdf [2013-05-15]
TxDOT. (2004). Hydraulic Design Manual. [Elektroniskt] Dokument. Texas Department
of Transportation (TxDOT). Tillgänglig:
http://ingenierosdeminas.org/biblioteca_digital/libros/00010-hydhydraulic%20design%20manual.pdf [2013-05-28]
Valtersson, M. (2010). Översilningsytor – Hydrologisk modellering av påverkansfaktorer
för avrinning och infiltration. Examensarbete: Institutionen för Vattenresurshantering,
Lunds Tekniska Högskola, Lund.
VAV. (1976). Anvisningar för beräkning av allmänna avloppsledningar. Publikation P28,
Svenska vatten- och avloppsverksföreningen, Stockholm.
VAV. (1983). Lokalt omhändertagande av dagvatten – LOD, Anvisningar och
kommentarer. Publikation P46, Svenska vatten- och avloppsverksföreningen, Stockholm.
Vägverket. (1997). Bygghandling, Väg E6, Yttre Ringvägen Malmö, delen Lockarp –
Fredriksberg, Normalsektion A, B-901.
Vägverket. (1999). Relationsritning, Väg E6, Yttre Ringvägen Malmö, delen Lockarp –
Fredriksberg, ledningsplan km 11/390-11/65, B-403.
Vägverket. (2003). Vägdikenas funktion och utformning- En beskrivning av
multifunktionella diken. Publikation: 2003:103. [Elektronisk] Rapport. Borlänge:
Vägverket. Tillgänglig:
http://publikationswebbutik.vv.se/upload/1311/2003_103_vagdikenas_funktion_och_utfo
rmning.pdf [2013-02-05]
Vägverket. (2008). VVMB 310 Hydraulisk dimensionering. Publikation 2008:61.
[Elektronisk] Rapport. Borlänge: Vägverket. Tillgänglig:
publikationswebbutik.vv.se/upload/4375/2008_61_vvmb_310_hydraulisk_dimensionerin
g.pdf [2013-02-14]
Ward, R.C. & Robinson, M. (2000). Principles of Hydrology, Fourth Edition.
Maidenhead: McGraw-Hill.
Wilson, E. M. (1990). Engineering Hydrology, Fourth Edition. London: MacMillan Press
LTD.
Wolf, T. (2013). Muntlig källa, VA SYD.
84
Bilagor
85
Bilaga 1. Nomogram över samband mellan flöde,
bottenlutning, släntlutning och vattendjup i dike
(Vägverket, 2008)
Bilaga 2. Avrinningsområde, Yttre Ringvägen,
Malmö
(Vägverket, 1999. Figur modifierad av Veronica Gullstrand)
Bilaga 3. Tolkning av relationsritning
Detta avsnitt som behandlar relationsritningar samt hur dess symboler ska tolkas anses
viktigt för viss förståelsen i rapporten.
En relationsritning över ett vägavsnitt visar den slutgiltiga vägutformningen. Ett exempel
på en del av en relationsritning illustreras i figur 1. I figur 1 har de viktigaste kartbeteckningarna för att underlätta tolkningen av en relationsritning markerats. Även
vägbanorna har markerats i figuren, i detta fall är vägbanorna separerade. Områdena
utanför vägbanorna utgör slänter och diken medan området mellan de två vägbanorna
utgör mittremsan.
Figur 1. Del av relationsritning där de viktigaste kartbeteckningarna numrerats och
markerats med cirklar (Vägverket, 1999. Figur modifierad av Veronica Gullstrand).
Nedan följer en beskrivning av de beteckningar som är markerade i figur 1.
Brunnsbeteckning
DB-400 K: Dagvattenbrunn, dimension 400 mm, kupolsil.
+36,83: Brunnslockets höjd (m.ö.h.)
VG +35,68: Vattengång i brunn (m.ö.h)
Exempel på andra brunnsbeteckningar:
NB - Nedstigningsbrunn
TB - Tillsynsbrunn
SB - Spolbrunn
Brunnar symboliseras med cirklar. För att skilja brunnstyperna åt
ritas cirklarna ifyllda, ofyllda eller som en fredssymbol. I
bildurklipp 2 intill illustreras två brunnar som är påkopplade på
dagvattenledning. Dagvattenledning betecknas med streckad,
tjockare linje.
Exempel på brunnssymboler:
Nedstigningsbrunn
Tillsynsbrunn
Dagvattenbrunn med kupolsilsbeteckning
Vattenledningars dimension och längsgående lutning skrivs ut vid
respektive ledning. I detta exempel är ledningen en dagvattenledning av dimension 400 mm. Den är lagd med en längsgående
lutning på 3 ‰.
Släntlutningar
Bildurklipp nummer tre illustrerar vägslänter/vägdiken.
Åt vilket håll en slänt lutar illustreras med ett kort streck,
där strecket indikerar att slänten lutar nedåt från den sida
strecket sitter på (se förtydligande nedan).
+10
+8
+10
+8
Om två släntsymboler placeras intill varandra, med strecken bort från varandra (som i
bildurklipp 3 samt nedan) symboliserar detta ett dike (se nedan).
Vägbanans höjd
Siffrorna som syns vid vägbanornas kanter anger vägbanans höjd i
meter över havet (m.ö.h.) i just den punkten. Då det vanligtvis
finns sådana höjder utsatta på vardera sidan av vägbanan kan
vägbanans lutning och därmed vägdagvattnets flödesriktning
utläsas.
Dräneringsledning
Den halva pil som syns i mitten av urklipp 6 betecknar en
dräneringsledning. Flödesriktningen i ledningen är densamma som
pilens riktning.
Förutom de symboler som angivits och förklarats ovan, förekommer fler symboler i en
relationsritning. Här har dock endast de som anses avgörande för förståelsen i denna
rapport tagits upp och kort förklarats.
Bilaga 4. Colebrook-diagram, k = 1,0 mm
(Svenskt Vatten P90, 2004)
Bilaga 5. Artikel
Suggestions for a method for
dimensioning road drainage outside
urban surroundings in Sweden
Veronica Gullstrand and Mathilda Jägryd
Department of Chemical Engineering, Lund University, Sweden
June 2013
Abstract
The Swedish Transport Administration is currently updating the Swedish regulations for
dimensioning road drainage after being inspired by the corresponding regulations in Germany.
Thus, studies have been performed to find differences and similarities between the two
regulations.
The aim of this study is to give recommendations for how the Swedish regulations for
dimensioning road drainage can be improved. The recommendations are based on previously
found differences between Swedish and German methods for calculating dimensional flow and
studies of the Rational method and Horton´s equation. Based on the recommendations, a
suggested method has been put together, which contains six steps for how to calculate the
dimensioning flow in a ditch.
Keywords: Road drainage, suggestions, Sweden, Germany, Rational method, Horton´s equation
Introduction
The Swedish regulations for dimensioning
road drainage outside urban surroundings are
currently being updated by the Swedish
Transport Administration and for this the
corresponding German regulations are used
as a reference. Studies of the two countries
regulations have thus been conducted in
order to find similarities and differences
between the two. The methods in the two
regulations used for calculating dimensional
flows were also studied to determine which
regulation is most correct.
The comparison of the two regulations
was theoretically based and supplemented
with calculations. For the theoretical
comparison
both
regulations
were
thoroughly studied and differences and
similarities were documented.
Calculations were performed for an
existing catchment area in Malmö, where
flows were calculated using the Rational
method in the Swedish regulations and the
Time-coefficient method in the German
regulations. Some of the differences found in
the theoretically based comparison could be
validated with the results from the
calculations. Finally, a practical study was
carried out where actual flows were
measured within the same catchment area as
the one used for the calculations.
The studies showed that the Swedish
regulations are rather different from the
German, even though similarities such as the
climate prevail between the two countries.
To find ways to improve the Swedish
regulations the study was extended with
further studies of the Rational method and
Horton´s equation [2].
The aim of this study is to present
recommendations for possible improvements
in the Swedish regulations for dimensioning
of road drainage based on the findings in [2].
In the German regulations it is
considered that the runoff from the road
course can further infiltrate when it
reaches the ditch if the ditch has not
been saturated. This is not considered in
the Swedish regulations. The total flow
in each ditch is according to the German
regulations calculated using equation 4.
In Germany pipelines are avoided to the
extent possible and instead only ditches
are used to transport and treat the road
drainage. In Sweden both ditches and
pipelines are used combined.
Theory
Rational method vs. Time-coefficient method
In Sweden the Rational method
(equation 1) is the most used method for
determining of dimensioning flows in urban
surroundings.
The corresponding method in Germany
is called the Time-coefficient method
(equation 2).
where
rD,n = rainfall intensity [l/s ha]
The two equations are close to identical
and the differences found between the two
countries regulations have nothing to do
with the formulas. In studies, two important
differences have been found between the
two countries regulations for dimensioning
of road drainage in urban surroundings [2]:
In the Swedish regulations, runoff
coefficients ( ) are used to determine
the runoff from all types of surfaces. In
Germany the runoff coefficients are only
used for paved/hard surfaces while
infiltration capacities ( ) are used for the
vegetated surfaces. Equation 3 is used to
calculate the dimensioning flow from
vegetated surfaces.
Further studies of the Rational method
Studies in [1] and [2] indicate that the
current use of the Rational method in the
Swedish regulations does not live up to the
established conditions for the Rational
method. Among other things it is suggested
in [1] and [2], that the rainfall intensity
should be chosen based on calculations and
comparisons of the concentration time in the
catchment area and the duration of the rain
to fulfil the condition that states that the
concentration time should be equal to the
duration of the rain. Thus the concentration
time is calculated using an expression in
which the rainfall intensity varies with
concentration time, i(tc). For the same
rainfall intensities used to calculate the
concentration time, the rainfall event
duration is calculated. Here an expression in
which the rainfall intensity varies with
duration and recurrence time is used, i(tr,T).
The rainfall intensity that gives duration
equal to the concentration time is the one to
use when calculating dimensioning flows
(see Figure 1).
Figure 1. The rainfall intensity for which i(tr,T)
intersects with i(tc) is the one to use when
calculating dimensioning flows according to [1]
and [2].
Studies have also shown that the runoff
coefficients
increase
with
increased
recurrence time and that the runoff
coefficients depend on many more factors
than considered in the Rational method
today [1]. In the USA there is a wider range
of runoff coefficients to choose from and
here frequency factors are used to consider
the increase of the runoff coefficients with
increased recurrence times [3].
Horton’s equation
Horton’s equation describes how the
infiltration decreases with time (see equation
7) [4].
where
fp = infiltration capacity at time t
[mm/h]
fc = saturated infiltration capacity
[mm/h]
f0 = infiltration capacity at the beginning
of the infiltration process [mm/h]
= constant describing the decrease of
the infiltration capacity [1/h]
t = time [h]
The most
important parameters
influencing the infiltration through a soil are
the type of the underlying soil and if the
ground surface is vegetated or not. A
vegetated surface gives an increased
infiltration. Studies of the infiltration
capacities used in the German regulations
and runoff coefficients used in the Swedish
regulations indicate that these might be too
low and that values of the parameters in
equation 7 can vary widely within the same
soil. Further, it is important for the validity
of equation 7 that the rainfall intensity
exceeds the infiltration capacity. However,
different references define Horton´s equation
differently which obstruct the evaluation of
the equations validity. Some sources mean
that the rainfall intensity should exceed the
saturated infiltration capacity (fc), while
others mean that it is the infiltration capacity
at a certain time that should be exceeded by
the rainfall intensity [2].
Method
Recommendations for how the Swedish
regulations can be improved were compiled
based on the differences in the Swedish and
German regulations together with studies of
the Rational method by Lyngfelt and
Horton´s equation found in [2]. The
recommendations were put together as a
proposition of an improved method for
determining the dimensioning flow for road
drainage outside urban areas in Sweden.
This proposed method was created in hope
of raising questions for the decision makers
in this subject.
Results
Recommendations
To fulfil the stated conditions in the
Rational method it is recommended that the
dimensioning rainfall intensity is selected
according to the suggestions in [1] and [2]
where the concentration time is calculated
for some different rainfall intensities. These
concentration times are to be compared with
the duration of the chosen rainfall intensities.
The rainfall intensity that gives a
concentration time equal to the duration is
the one to use when calculating the
dimensioning flow (see Figure 1).
Another suggestion is that the
catchment area should be divided into sub
catchments based on type of surface. Paved
areas are given a runoff coefficient based on
the current regulations in Sweden, while
vegetated areas are given an infiltration
capacity. This infiltration capacity is chosen
from
an
infiltration-capacity
curve
developed from the Horton equation. The
parameter values in Horton´s equation are
found from infiltration tests at the location or
picked from a table with representative
values for the location. The infiltration
capacity should be chosen for a time less or
equal to the duration of the rain.
Finally, it should be considered that the
runoff from the road course can infiltrate in
the ditch if this has not been saturated, just
like in the German regulations. This is done
by considering the slopes of the road courses
to find to which ditch each course drain. A
dimensioning flow is calculated for each sub
catchment and if a negative value is obtained
for the vegetated catchments it means that
this surface has not been saturated and the
corresponding volume of runoff can
infiltrate. The dimensioning flow in each
ditch is calculated using equation 4. These
flows are then used to assign the ditches
with dimensions. By constructing deviating
ditches, pipelines can be avoided when
possible without any risks for inundations
downstream in the catchment area.
Proposed method
Based
on the recommendations
presented above, a proposition of an
improved method for calculation of
dimensioning flows in ditches was compiled
containing six steps [2].
1. Choose recurrence time.
2. Determine the dimensioning rainfall
intensity by calculating and
comparing concentration time with
rain event duration according to the
recommendations above.
3. Divide the catchment area into sub
catchments,
separating
hard
surfaces from vegetated surfaces.
Also the slopes must be considered
here since the flow direction is an
essential part of this suggested
improved method.
4. Choose an infiltration capacity for
each vegetated sub catchment from
an
infiltration-capacity
curve
established with the Horton
equation using parameters valid for
the area.
5. Calculate the dimensioning flow
from each sub catchment using the
current formula for the Rational
method (equation 1) for hard
surfaces and equation 3 for
vegetated surfaces.
6. Consider the slopes in each sub
catchment to find out which ditch
each road course slopes to and then
use equation 4 to calculate the
dimensioning flow in each ditch.
Discussion
The recommendations and the suggested
method have been developed from results
from studies presented in [1] and [2]. Thus
the suggestions must be thoroughly tested
and further studied before any possible
implementations in the Swedish regulation
can be done. For instance, expressions for
the rainfall intensity’s variation with the
concentration time, i(tc), and the rainfall
intensity´s variation with rain event duration
and recurrence time, i(tr,T), must be found
for road areas outside the city.
Another issue that must be further
investigated is the definition of Horton´s
equation regarding the rainfall intensity
exceeding the infiltration capacity. Further,
it could be of interest to study the recovery
curve for the infiltration capacity in a soil
after a rain event. This could help making it
easier to choose an infiltration capacity,
knowing how long it takes before the
infiltration capacity reaches its original value
after a rain event.
Finally, it is believed that the usage of
ditches will lower the construction costs and
with the help from deviating ditches the
repairing costs after inundations will also be
lowered. This can be seen as a good reason
to only use ditches to the largest possible
extent.
Conclusions
Recommendations were given on how
to improve the Swedish regulations for
dimensioning road drainage outside urban
areas. Based on the recommendations, a
suggested method was put together. This
method contains six steps for calculating the
dimensioning flow. However, the method is
only a suggested method and thus the
method must be further tested.
The hope of this study is that the
suggestions made will raise questions for the
decision maker at the Swedish Transport
Administration.
References
[1] Lyngfelt S (1981). Dimensionering av
dagvattensystem – Rationella metoden,
Geohydrologiska
forskningsgruppen,
Chalmers Tekniska Högskola, Göteborg
[2] Jägryd M, Gullstrand V (2013).
Dimensioneringsmetoder för vägav-vattning
– En studie av svenska och tyska
dimensioneringsnormer med fokus på
infiltration. Examensarbete, Institutionen för
Kemiteknik, Lunds Tekniska Högskola
[3] TxDOT (2004). Hydraulic Design
Manual.
Texas
Department
of
Transportation.
http://ingenierosdeminas.org/biblioteca_digit
al/libros/00010-hydhydraulic%20design%20manual.pdf
Collected: 2013-05-28
[4]
Fetter
C.W
(2001).
Applied
Hydrogeology, Fourth Edition. Upper
Saddle River, New Jersey: Prentice-Hall
