Effects of urbanization on seasonal runoff generation and pollutant transport under cold climate

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0862-3
Title: Effects of urbanization on seasonal runoff generation and pollutant transport under cold climate
Author: Valtanen, Marjo
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Environmental Sciences, Ympäristöekologia
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2015-04-17
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0862-3
http://hdl.handle.net/10138/153832
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Urbanization is causing a substantial increase in impervious surfaces and thereby alterations in the hydrological cycle, e.g. by increasing runoff volumes and intensities that can lead to urban flooding. Furthermore, urban runoff is considered as one of the most important surface water pollutant sources. The characteristics of urban runoff are known to vary greatly between land use types and climates. However, in cold climates, only a few studies have tackled urban runoff phenomena and these studies rarely include catchment-based and long-term monitoring on both runoff quantity and quality. Yet, to develop successful urban runoff management practices, knowledge on runoff characteristics from various urban sites that are monitored for several pollutants throughout the year is required. The aim of this thesis was to fill gaps in our knowledge on the effects of urbanization on runoff characteristics and to study the mechanisms affecting runoff generation and pollutant transport during vastly divergent seasons in cold climates. This research was conducted in the city of Lahti, southern Finland, and comprised three urban catchments of varying imperviousness: High catchment (city centre, total impervious area [TIA], 89%), Intermediate catchment (city centre, 62%) and Low catchment (residential, 19%). At each catchment, continuous measurements on runoff flow rate and precipitation were carried out for a period of two years. In addition, runoff samples were taken to determine concentrations for total nitrogen (tot-N), total phosphorus (tot-P), total suspended solids (TSS), total and dissolved heavy metals (Zn, Cu, Cr, Mn, Al, Co, Ni, Pb) and total organic carbon (TOC). I showed that in cold climates, annual runoff volumes, most pollutant loads and some of the pollutant concentrations increased with increasing imperviousness. Furthermore, urbanization altered runoff generation (volume, intensity, duration, number of events) more strongly during the warm than the cold period. However, when the summer was dry and the winter wet, the effects of urbanization on annual runoff volumes diminished most likely due to snow removal. The spring snowmelt period began earlier and occurred as several events at the city centres in comparison to the low-development catchment. In contrast with patterns observed during warm periods, cumulative runoff volumes during cold periods decreased with increasing urbanization when TIA reached about 60%. Nevertheless, urbanization increased both warm and cold period loads for most pollutants. However, the mechanisms controlling runoff event quality were distinct between seasons: during cold periods event loads and concentrations were mainly increased by long event durations, yet, during warm periods the peak intensity of runoff was the main increasing factor whereas concentrations tended to decrease as event durations increased. Because of snow removal in the High catchment with TIA of 89%, snowmelt volumes during spring were not affected by the amount of precipitation. In addition, at the High catchment, warm periods contributed more to annual volumes than cold periods, contrary to the pattern observed at the Low catchment. Irrespective of land use, the largest seasonal pollutant loads and concentrations for several pollutants occurred during spring. However, the importance of the warm season in annual pollutant load generation increased with increasing urbanization. This study provides updated data on pollutant unit loads, especially for city centres and for heavy metals. This thesis - applying a catchment-based approach - also showed, for the first time how the seasonality of runoff volumes and loads change at highly impervious city centres.Kaupungistuminen lisää vettä läpäisemättömien pintojen määriä ja muuttaa veden kiertoa lisäämällä pintavalunnan eli hulevesien määrää ja virtaamahuippuja sekä kaupunkitulvia. Koska hulevedet johdetaan usein puhdistamattomina vesistöihin, ne ovat yksi merkittävimpiä pintavesien pilaajia. Kylmän ilmaston hulevesien määrästä ja laadusta ei kuitenkaan ole ollut kattavaa tietoa, vaikka se on edellytys mm. hulevesien käsittelyn ja lainsäädännön suunnittelemiselle. Hulevesiä tulisi myös tutkia ympärivuotisesti kylmän ilmaston vuodenaikojen erityispiirteiden vuoksi. Väitöskirjan tarkoituksena oli selvittää miten kaupungistuminen vaikuttaa hulevesien muodostumiseen ja laatuun eri vuodenaikoina kylmässä ilmastossa. Kaupungistumista kuvasivat läpäisemättömien pintojen määrä (%) sekä maankäyttömuoto (keskusta tai pientaloalue). Tutkimus toteutettiin Lahdessa kahdella keskustavaluma-alueella, jotka olivat 62 % ja 89 % läpäisemättömiä sekä pientaloalueella, jonka läpäisemättömyys oli 19 %. Alueilla mitattiin kahden vuoden ajan hulevesien virtaamaa sekä sadantaa. Hulevedestä otettiin näytteitä, joista määritettiin kokonaistypen ja -fosforin, kiintoaineen, raskasmetallien (Zn, Cu, Cr, Mn, Al, Co, Ni, Pb) ja kokonaisorgaanisen hiilen pitoisuudet. Tutkimus osoitti, että läpäisemättömyys lisää vuosittaista hulevesien määrää ja haitta-ainekuormaa sekä joidenkin haitta-aineiden pitoisuuksia kylmässä ilmastossa. Sääolosuhteet aiheuttivat kuitenkin vaihtelua, sillä vuonna, jolloin talvi oli sateinen ja kesä kuiva, kaupungistumisen vaikutukset hulevesien määriin pienenivät johtuen lumenkuljetuksesta eli sadannan siirtämisestä valuma-alueen ulkopuolelle. Läpäisemättömyys vaikutti hulevesien muodostumiseen voimakkaammin lämpimänä kuin kylmänä kautena, jolloin kaupungistuminen jopa vähensi hulevesien määrää. Haitta-ainekuormituksen määrä silti kasvoi kaupungistumisen myötä ympärivuotisesti. Kaupungistuneimmalla alueella merkittävin osa vuosittaisesta hulevedestä muodostui lämpimänä kautena, päinvastoin kuin vähiten kaupungistuneimmalla alueella. Kaikilla alueilla suurin vuodenaikainen haitta-ainekuorma esiintyi keväällä, mutta kaupungistuminen lisäsi lämpimän kauden osuutta vuosittaisessa kuormituksessa. Haitta-ainekuormitukseen vaikuttavat hydrologiset mekanismit erosivat kylmän ja lämpimän kautena: kylmänä kautena valunnan kesto lisäsi kuormitusta ja lämpimänä kautena kasvavat huippuvirtaamat kasvattivat kuormaa. Tutkimus osoitti ensimmäistä kertaa miten tiivisti rakennettujen keskustojen hulevesien määrä ja haitta-ainekuorma muuttuvat vuodenaikaisesti. Tutkimus tuotti myös päivitettyä tietoa keskusta-alueiden hulevesien laadusta sekä erityisesti raskasmetallikuormituksesta.
Subject: ympäristötiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Effectso.pdf 2.232Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record