Integrated modelling of stormwater management strategies and CSO impacts on urban rivers

dc.contributor.advisorHinkelmann, Reinhard
dc.contributor.advisorRouault, Pascale
dc.contributor.authorRiechel, Mathias
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeHinkelmann, Reinhard
dc.contributor.refereeRouault, Pascale
dc.contributor.refereeMuschalla, Dirk
dc.contributor.refereeKabelková, Ivana
dc.date.accepted2022-02-17
dc.date.accessioned2022-03-30T14:06:32Z
dc.date.available2022-03-30T14:06:32Z
dc.date.issued2022
dc.description.abstractDiffuse pollution from combined sewer overflows (CSO) is one of the most prevailing challenges for the ecological quality of urban rivers. Of particular concern for flow-regulated rivers and their aquatic organisms are depressions in dissolved oxygen (DO), as regularly observed in the Berlin River Spree and its side channels. In some cases, ammonia toxicity is also an issue. Moreover, pathogen emissions via CSO outlets upstream of bathing waters pose a risk for human health. Ongoing climate change in the form of more intense rainfalls and higher temperatures is expected to aggravate these negative impacts. Two different approaches are considered for CSO impact mitigation: sewer-based CSO control measures that provide underground storage or treatment and sustainable urban drainage systems (SUDS), such as green roofs or infiltration swales. However, it is not straightforward to decide which mitigation measures would be ecologically best for the receiving water body. This becomes evident from the scarcity of full-scale demonstrations of integrated sewer-river-models, especially for complex systems with a multitude of CSO outlets. Further, there appear to be no modelling studies that quantify the potential of SUDS to mitigate adverse impacts on aquatic organisms. As a consequence, little is known about measure effects, in particular those of SUDS, and governing processes in the receiving water body. The aim of this thesis is to quantify CSO impacts in the form of DO depressions, the importance of associated river processes, and the effect of different mitigation measures with a strong focus on SUDS. For this purpose, an integrated modelling approach consisting of a sewer model implemented in InfoWorks, a river water quality model implemented in Hydrax-QSim, and an impact assessment approach for fish-critical DO conditions in the river was developed for the city of Berlin. The modelling approach was used to explore the river processes that lead to DO depressions after CSO and quantify the effects of different mitigation strategies, also under consideration of climate change. In a second step, the model tool was complemented with a detailed rainfall-runoff model that comprises model components for a multitude of SUDS. This enhanced integrated model was used to quantify the potential of realistic SUDS strategies to reduce CSO emissions and mitigate critical oxygen deficits in the river. Finally, a virtual tracer approach to determine the microbiological contamination potential of different CSO outlets was developed and tested. The approach can be used to locate effective measures for improving bathing water quality. As a first outcome, integrated sewer-river-models were shown to be capable of representing CSO impacts at the city-scale under complex urban conditions in good agreement with measurements. Model sensitivity to changes on the catchment’s surface, in the sewer system, and in the river was demonstrated as an important plausibility check and prerequisite for scenario analysis. The research further identified three river processes that dominate the DO budget after CSO and that vary in importance with flow time: i) the degradation of organic matter by heterotrophic bacteria, ii) the inhibition of the phytoplankton activity due to CSO-induced turbidity, and iii) mixing of river water with CSO spill water poor in DO. The identified processes are influenced by different mitigation measures which, in turn, can determine where along the river positive effects will unfold. Important improvements were found for an increase in storage capacity in the sewer system and for a reduction in surface runoff via SUDS, which both influence all three identified river processes. As an example, acute oxygen deficits can be mitigated completely with the investigated SUDS strategies, that comprise about one third of the catchment’s impervious area. However, climate change would partly counterbalance these achievements and further increase background oxygen stress during dry weather. Regarding required model complexity, the detailed SUDS simulation, which considers attenuation and delay of runoff, outperforms global runoff reduction scenarios, which hence are only recommended for preliminary planning purposes. Finally, the developed tracer approach for pathogen emissions via CSO revealed that hotspots for bathing water contamination do not necessarily correspond with CSO volume hotspots. This finding is especially important for locating measures to improve bathing water quality, which may have their maximum effect at other locations than measures that tackle oxygen deficits. The results of this thesis enhance knowledge on CSO impacts, measure effects, and integrated modelling techniques. This knowledge can, in turn, be used by decision makers for impact-based strategic planning of CSO mitigation measures in urban areas with oxygen deficits being the main stressor for aquatic organisms.en
dc.description.abstractDie diffuse Verschmutzung durch Mischwasserüberläufe ist eine der größten Herausforderungen für urbane Gewässer. Besonders problematisch für abflussregulierte Fließgewässer und die darin lebenden Organismen ist das akute Absinken der Sauerstoffkonzentration infolge des Abbaus von eingeleitetem organischen Material, wie es in der Berliner Stadtspree und ihren Nebenkanälen regelmäßig beobachtet wird. In einigen Gewässern führen auch erhöhte Konzentrationen von Ammonium zu ökologischen Beeinträchtigungen. Darüber hinaus resultieren aus den über Mischwasserüberläufe eingetragenen pathogenen Keimen auch Risiken für die menschliche Gesundheit in stromabwärts gelegenen Badegewässern. Unter fortschreitendem Klimawandel werden sich diese negativen Auswirkungen weiter verschärfen. Um die Auswirkungen von Mischwasserüberläufen abzumildern, werden Maßnahmen der Kanalnetz- und der Regenwasserbewirtschaftung eingesetzt, z. B. unterirdische Speicherbecken, Reinigungsanlagen, Gründächer oder Versickerungsmulden. Die Auswahl geeigneter Maßnahmen erfolgt jedoch in den meisten Fällen emissionsbasiert, d. h. ohne Nachweis des ökologischen Nutzens für das Gewässer. Ein zentrales Hindernis ist die geringe Verbreitung integrierter Kanalnetz- und Gewässergütemodelle, insbesondere für komplexe Systeme mit einer Vielzahl unterschiedlicher Mischwasserauslässe. Über die konkrete Wirkung von Maßnahmen und die im Gewässer ablaufenden Prozesse ist daher nur wenig bekannt. Auch die positiven Effekte der dezentralen Regenwasserbewirtschaftung auf die Wasserqualität und die aquatischen Organismen wurden bisher kaum quantifiziert. Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, die Auswirkungen von Mischwasserüberläufen auf den Sauerstoffhaushalt urbaner Fließgewässer, die damit verbundenen Prozesse sowie die positiven Effekte der Kanalnetz- und insbesondere der Regenwasserbewirtschaftung aufs Gewässer zu quantifizieren. Zu diesem Zweck wurde ein integriertes Modellwerkzeug basierend auf dem Kanalnetzmodell InfoWorks, dem Gewässergütemodell Hydrax-QSim und einem immissions-basierten Bewertungsansatz für fischkritische Sauerstoffdefizite am Beispiel von Berlin aufgebaut. Das Modellwerkzeug wurde verwendet, um die nach Mischwasserüberläufen im Gewässer vorherrschenden Prozesse des Sauerstoffhaushaltes und die Auswirkungen verschiedener Bewirtschaftungsstrategien, auch unter Berücksichtigung des Klimawandels, zu quantifizieren. In einem zweiten Schritt wurde das Modellwerkzeug um ein detailliertes Niederschlag-Abfluss-Modell erweitert, das über Modellkomponenten für verschiedenste Maßnahmen der Regenwasserbewirtschaftung verfügt. Mit dem erweiterten Modellwerkzeug wurden unterschiedliche, konkret in einem Stadtquartier verortete Maßnahmen hinsichtlich ihres Potenzials zur Reduzierung von Mischwasserüberläufen und zur Vermeidung kritischer Sauerstoffdefizite im Gewässer untersucht. Darüber hinaus wurde ein virtueller Tracer-Ansatz zur Ermittlung des mikrobiologischen Verschmutzungspotenzials verschiedener Mischwasserauslässe entwickelt und getestet. Der Ansatz ermöglicht es, Maßnahmen zur Verbesserung der Badegewässerqualität optimal zu verorten. Zunächst konnte gezeigt werden, dass integrierte Modelle für das Kanalnetz und das Gewässer in der Lage sind, die Auswirkungen von Mischwasserüberläufen auch unter komplexen Bedingungen in guter Übereinstimmung mit Messungen abzubilden. Das aufgebaute integrierte Modell reagiert sensitiv auf Veränderungen im Stadtgebiet, im Kanalnetz sowie im Gewässer, was eine wichtige Plausibilitätsprüfung und Voraussetzung für die Szenarienanalyse ist. Drei Gewässerprozesse wurden identifiziert, die den Sauerstoffhaushalt nach Mischwasserüberläufen in Abhängigkeit der Fließzeit dominieren: i) der Abbau von organischem Material durch heterotrophe Bakterien, ii) die reduzierte Photosyntheseaktivität aufgrund erhöhter Trübung und iii) die Einmischung von sauerstoffarmem Mischwasser in die Gewässerströmung. Die identifizierten Prozesse werden durch verschiedene Bewirtschaftungsmaßnahmen in unterschiedlicher Weise beeinflusst. Bedeutende positive Effekte wurden für eine Erhöhung der Speicherkapazität im Kanal und für eine Reduzierung des Oberflächenabflusses durch Maßnahmen der Regenwasserbewirtschaftung ermittelt, die alle drei identifizierten Gewässer-prozesse beeinflussen. Mit beiden Maßnahmentypen können fischkritische Sauerstoffdefizite in Häufigkeit und Dauer deutlich reduziert und im Falle der Regenwasserbewirtschaftung sogar vollständig verhindert werden. Der Klimawandel würde diese positiven Effekte jedoch zum Teil kompensieren und zudem die Hintergrundbelastung des Sauerstoffhaushaltes während Trockenwetter erhöhten. Die durch einige Maßnahmen der Regenwasserbewirtschaftung erzielte Abflussdämpfung und verzögerung kann je nach Regenereignis einen wichtigen Anteil an der Reduzierung von Mischwasserüberläufen haben. Daher sollten diese Effekte für die detaillierte Maßnahmenplanung möglichst gut im Modell abgebildet werden. Zuletzt zeigte der entwickelte Tracer-Ansatz für Emissionen pathogener Keime, dass Hotspots mikrobieller Verschmutzung nicht immer dort liegen, wo auch die größten Volumina eingeleitet werden. Daraus resultieren wichtige Schlussfolgerungen für die Verortung von Maßnahmen zur Verbesserung der Badegewässerqualität. Die Ergebnisse dieser Arbeit bringen wertvolle Erkenntnisse zu Auswirkungen von Mischwasserüberläufen und den Effekten unterschiedlicher Maßnahmen aufs Gewässer. Die verwendeten und erweiterten Ansätze der integrierten Modellierung können für die immissionsbasierte Maßnahmenplanung, insbesondere in urbanen Systemen mit regelmäßig auftretenden akuten Sauerstoffdefiziten, eingesetzt werden.de
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/16487
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-15263
dc.language.isoenen
dc.rights.urihttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/en
dc.subject.ddc620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeitende
dc.subject.otherCSOen
dc.subject.otherriver impactsen
dc.subject.otherstormwater managementen
dc.subject.otherintegrated modellingen
dc.subject.otherstrategic planningen
dc.subject.otherMischwasserüberlaufde
dc.subject.otherImmissionende
dc.subject.otherRegenwasserbewirtschaftungde
dc.subject.otherintegrierte Modellierungde
dc.subject.otherstrategische Planungde
dc.titleIntegrated modelling of stormwater management strategies and CSO impacts on urban riversen
dc.title.translatedIntegrierte Modellierung von Strategien der Regenwasserbewirtschaftung sowie der Auswirkungen von Mischwasserüberläufen auf urbane Fließgewässerde
dc.typeDoctoral Thesisen
dc.type.versionacceptedVersionen
tub.accessrights.dnbdomainen
tub.affiliationFak. 6 Planen Bauen Umwelt>Inst. Bauingenieurwesen>FG Wasserwirtschaft und Hydrosystemmodellierungde
tub.affiliation.facultyFak. 6 Planen Bauen Umweltde
tub.affiliation.groupFG Wasserwirtschaft und Hydrosystemmodellierungde
tub.affiliation.instituteInst. Bauingenieurwesende
tub.publisher.universityorinstitutionTechnische Universität Berlinen
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