Scaling and connectivity assessment of critical source areas of diffuse pollution in urban catchments under a changing regime of high-intensity storms
Haacke, Nasrin
Urban diffuse pollution is a serious global environmental issue. It comprises fluxes of dissolved and particulate pollutants associated with various land-use types and activities that enter the urban water catchment through precipitation or runoff processes from different urban surfaces. The cumulative effect of diffuse pollution can significantly negatively impact human well-being and ecosystem health by deteriorating the water quality of urban surface water bodies. Climate change and urbanisation exacerbate this effect due to changing precipitation patterns, an increase in extreme rainfall events and impervious areas, resulting in increased flushing and remobilisation of pollutants. To tackle this problem, diffuse pollution needs effective management. Existing approaches, however, are neither cost-efficient nor economical. In the last decade, new impact controlling developments have been introduced to control and reduce runoff rates by creating infiltration and retention areas and identifying critical source areas and pollution pathways. However, successful pollution mitigation and source control strategies in urban areas can only be implemented with accurate knowledge of hydrological, structural and pollutant connectivity and the factors impacting them. This is the focus of this thesis.
In the first study, crucial patterns of pollution source areas are categorized, and current knowledge of their spatiotemporal variations is collated. Urban alterations of transport processes that enhance, delay, or inhibit diffuse pollution transport from source areas through the urban watershed are detailed. Subsequently, diffuse pollution patterns and processes are conceptually merged by the simultaneous assessment of urban structural and functional connectivity relevant to pollutant transfer. The study concludes that only a holistic systems approach may help tackle current and future pollution rates under different environmental conditions.
Studies 2 to 4 focus on factors influencing urban connectivity. One major factor is extreme rainfall, leading to widely-hydrologically connected areas or in extreme cases to urban flash floods. While there is much known about daily rainfall extremes, short-duration (hourly to sub-hourly) extreme rainfall events have not been sufficiently investigated regarding their temporal and spatial occurrence patterns across Germany. The second study follows up on this and identifies regional diurnal patterns in extreme rainfall events across Germany, a unified seasonal consensus that they occur during the summer months, and no trend in their frequency within the analysed time period (2000 – 2019). Additionally, large-scale circulation patterns were not detected as a potential driving force of such events.
The third study introduces a novel methodology to classify extreme rainfall events based on their potential to generate overland flow on a typical urban asphalt surface. Besides the maximum rainfall intensity, this approach considers the full dynamics of rainstorm events, including characteristics such as their length, precipitation amount, mean intensity and flow depths. Rainfall events generating substantial overland flow are assigned to several impact classes indicating increasing flow depths and thus more substantial impact. The results show that it is appropriate to use flow depth per time as an indicator of generated overland flow impacts, thus improving the characterization of rainfall events.
The last study focuses on urban surface representation as another factor influencing urban connectivity. It includes the identification of individual depressions on three differently paved real urban study sites and quantifies their depression storage capacity using a terrestrial laserscanning method. Results show that depressions vary significantly in space, size, and volume, so averaged depression storage depths should not be used to characterise respective pavement designs, as typically done in hydrological modelling. However, this study needs to include more sites to gain more comprehensive results.
Die städtische Verschmutzung durch diffuse Schadstoffe ist weltweit ein ernstes Umweltproblem. Sie umfasst den Eintrag gelöster und partikelförmiger Schadstoffe, die mit verschiedenen Flächennutzungsarten und Aktivitäten in Verbindung gebracht werden und durch Niederschläge oder Abflussprozesse von verschiedenen städtischen Flächen in das städtische Wassereinzugsgebiet gelangen. Die kumulative Wirkung der diffusen Verschmutzung kann das menschliche Wohlergehen und die Gesundheit der Ökosysteme durch die Verschlechterung der Wasserqualität städtischer Oberflächengewässer erheblich beeinträchtigen. Der Klimawandel und die Urbanisierung verschärfen diesen Effekt durch veränderte Niederschlagsmuster, die Zunahme extremer Niederschlagsereignisse und versiegelter Flächen, was zu einer verstärkten Abschwemmung und Remobilisierung von Schadstoffen führt. Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, muss die diffuse Verschmutzung wirksam bekämpft werden. Die bisherigen Ansätze sind jedoch weder kosteneffizient noch wirtschaftlich. In den letzten zehn Jahren wurden neue Entwicklungen zur Eindämmung der Auswirkungen eingeführt, um die Abflussmengen zu kontrollieren und zu verringern, indem Versickerungs- und Rückhalteflächen geschaffen und kritische Quellenbereiche und Verschmutzungspfade identifiziert wurden. Strategien zur Verringerung der Umweltverschmutzung und zur Kontrolle der Schadstoffquellen in städtischen Gebieten können jedoch nur dann erfolgreich umgesetzt werden, wenn genaue Kenntnisse über die hydrologische, strukturelle und schadstoffbezogene Konnektivität und die sie beeinflussenden Faktoren vorliegen. Dies ist der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit.
In der ersten Studie werden relevante Muster von Verschmutzungsquellen kategorisiert und der aktuelle Wissensstand über ihre räumlichen und zeitlichen Variationen zusammengetragen. Städtische Veränderungen der Transportprozesse, die den Transport diffuser Verschmutzung aus den Quellgebieten durch das städtische Einzugsgebiet verstärken, verzögern oder hemmen, werden detailliert beschrieben. Anschließend werden diffuse Verschmutzungsmuster und -prozesse durch die gleichzeitige Bewertung der für den Schadstofftransport relevanten strukturellen und funktionalen städtischen Konnektivität konzeptionell zusammengeführt. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass nur ein ganzheitlicher Systemansatz dazu beitragen kann, aktuelle und zukünftige Verschmutzungsraten unter verschiedenen Umweltbedingungen zu bewältigen.
Die Studien 2 bis 4 befassen sich mit Faktoren, die die Konnektivität in urbanen Räumen beeinflussen. Ein wesentlicher Faktor sind extreme Niederschläge, die zu hydrologisch großflächig verbundenen Gebieten oder im Extremfall zu städtischen Sturzfluten führen können. Während über tägliche Niederschlagsextreme viel bekannt ist, sind kurzzeitige (stündliche bis sub-stündliche) extreme Niederschlagsereignisse hinsichtlich ihres zeitlichen und räumlichen Auftretens in Deutschland nicht ausreichend untersucht worden. Die zweite Studie knüpft daran an und identifiziert regionale tageszeitliche Muster extremer Niederschlagsereignisse in Deutschland, einen einheitlichen saisonalen Konsens, dass sie in den Sommermonaten auftreten, und keinen Trend in ihrer Häufigkeit innerhalb des untersuchten Zeitraums (2000 - 2019). Auch großräumige Zirkulationsmuster als mögliche treibende Kraft für solche Ereignisse konnten nicht festgestellt werden.
In der dritten Studie wird eine neuartige Methode zur Klassifizierung extremer Niederschlagsereignisse auf der Grundlage ihres Potenzials zur Erzeugung von Oberflächenabfluss auf einer typischen städtischen Asphaltfläche vorgestellt. Neben der maximalen Niederschlagsintensität berücksichtigt dieser Ansatz die gesamte Dynamik von Regenereignissen, einschließlich Merkmalen wie Länge, Niederschlagsmenge, mittlere Intensität und Abflusstiefe. Niederschlagsereignisse, die einen beträchtlichen Oberflächenabfluss erzeugen, werden verschiedenen Belastungsklassen zugeordnet, die auf zunehmende Fließtiefen und damit auf größere Auswirkungen hinweisen. Die Ergebnisse zeigen, dass es angemessen ist, die Fließtiefe pro Zeit als Indikator für die Auswirkungen des Oberflächenabflusses zu verwenden und so die Charakterisierung von Regenereignissen zu verbessern.
Die letzte Studie konzentriert sich auf die Darstellung der städtischen Oberfläche als weiteren Faktor, der die urbane Konnektivität beeinflusst. Sie umfasst die Identifizierung einzelner Senken auf drei unterschiedlich gepflasterten, realen städtischen Untersuchungsflächen und quantifiziert deren Speicherkapazität mit Hilfe eines terrestrischen Laserscanning-Verfahrens. Die Ergebnisse zeigen, dass die Vertiefungen in Bezug auf Fläche, Größe und Volumen erheblich variieren, so dass gemittelte Speichertiefen von Vertiefungen nicht zur Charakterisierung der jeweiligen Straßenbeläge herangezogen werden sollten, wie es in der hydrologischen Modellierung üblich ist. Es wird empfohlen, diese Studie um weitere Standorte und Untersuchungsflächen zu erweitern, um fundierte Ergebnisse zu erhalten.
