Forskningssenteret Klima 2050 etablerte tre fullskala blågrønne tak på Høvringen utenfor Trondheim som utgangpunkt for forskning på den hydrologiske ytelsen av blågrønne tak. Vi presenterte kort hovedfunnene i en artikkel i Vann (Sivertsen mfl. 2023), der resultatene utelukkende fokuserte på ytelsen i snø- og frostfrie perioder. I etterkant av at forsøksanlegget på Høvringen ble avsluttet, har vi analysert dataene fra snø- og frostperioder.
Det finnes kun et begrenset omfang av studier som har undersøkt den hydrologiske ytelsen til blågrønne tak under vinterforhold. Nylig presenterte Braskerud og Paus (2023) en oppsummering av vinterfunksjonen til ekstensive grønne tak. Basert på observasjoner gjennom 11 år er hovedkonklusjonene at ekstensive grønne tak reduserer volumavrenningen i snødekte perioder med mellom 16-31% og at de 1% høyeste avrenningsintensitetene under forhold med snødekke er høyere enn de 1% høyeste avrenningsintensitetene under sommerforhold. Med andre ord har ekstensive grønne tak en betydelig retensjon for fordrøyningseffekt selv under vinterforhold.
Forbedret forståelse av vinterytelsen til blågrønne tak er viktig for å kunne utvikle nøyaktige hydrologiske modeller for vinterforhold. Tilstrekkelig nøyaktig hydrologiske modeller som predikerer avrenning under snø- og frostperioder er viktig av flere grunner. Det en kjent at det i regioner med kaldt klima er regn på snø-hendelser som gir utfordrende forhold for overvannshåndteringen i urbane områder og det å kunne forutsi avrenningen fra blågrønne tak og i hvilken grad denne løsningen opprettholder sin overvannsfunksjon vil være viktig.
Nøyaktige modeller av ytelsen til blågrønne tak vil også bidra til bedre planlegging og dimensjonering av overvannshåndteringen for et område. Videre vil hydrologiske modeller som gjengir avrenningen under vinterforhold være spesielt viktig for Norge, der fremtidige værscenarier forutser økt nedbør, endret nedbørsmønster og hyppigere fryse-tine-sykluser som følge av klimaendringene.
Denne artikkelen oppsummerer noen hovedresultater fra en nylig publisert vitenskapelig artikkel (Maurin mfl. 2024). Studien bygger på åtte års med drift av blågrønne tak på Høvringen med fokus på å forstå bedre den hydrologiske ytelsen til blågrønne tak under vinterforhold. Vår hypotese er at avrenning fra selve snølaget på taket er uavhengig av om taket er et vanlig svart tak eller blågrønt tak og kun avhengig av lufttemperaturen og snølagets tilstand (fraksjon av fast stoff / væske).
Studien hadde følgende spesifikke mål:
- Etablere og vurdere egnethet til en kombinert hydrologisk modell for å simulere snøakkumulering og -smelting og avrenning fra tak under vinterforhold.
- Utvikle en metode for å kategorisere ulike typer vinterhendelser (regn, regn-på-snø, snøsmelting).
- For vinterforhold, sammenligne den hydrologiske ytelsen til blågrønne tak med vanlig svart tak.
Materialer og metode
Datafangst
Studien baserer seg på data samlet inn ved Høvringen testfelt utenfor Trondheim i perioden 2017-2023. Høvringen testfelt består av tre separate testfelt der felt 2 i hele perioden har vært et vanlig kompakt tak med svart asfalt tekking som er benyttet som referanse. Løsningene i felt 1 og 3 har variert og det er testet totalt seks ulike blågrønne takløsninger, se Sivertsen mfl. (2023) for nærmere beskrivelse av de ulike takkonfigurasjonene.
Meteorologiske data (nedbør, lufttemperatur, vindhastighet og -retning og luftfuktighet) ble samlet inn med et minutts tidsoppløsning. Avrenning fra hvert av testfeltene og overflatetemperatur (temperatur mellom takmembran og geotekstil) ble også samlet inn med et minutts tidsoppløsning. I tillegg ble det tatt bilder av hvert av de tre takene hver time. For mer informasjon om datainnsamling, se Maurin mfl. (2024).
Kombinert hydrologisk modell for snøakkumulering og -smelting og avrenning fra tak
Vi har utviklet en kombinert hydrologisk modell for snøakkumulering og -smelting og avrenning fra tak som benytter snørutinen til Hydrologiska Byrans avdeling for Vattenbalans (HBV)-modellen for å modellere snøakkumulering og snøsmelting på taket. Basert på utetemperatur så vil nedbør enten komme som regn eller snø og det foregår en kontinuerlig smelte/fryse-prosess i snølaget. I snølaget er forholdet mellom snø og vann en viktig faktor for å beskrive tilstanden til snølaget, som også vil påvirke snølagets kapasitet til å holde på vann før det gir avrenning. På et gitt tidspunkt er forholdene slik at snølaget gir avrenning til taket, der denne størrelsen angis som Mr.
Når snølaget gir avrenning til et tak modelleres avrenningen fra taket (Q), med reservoarrutingsmodeller med varierende grad av kompleksitet avhengig av takkonfigurasjonen.
Metode for å karakterisere vinterhendelser
For å skille ulike vinterhendelser utviklet vi en metodikk ved bruk av temperatur og tid for å dele en nedbørstidsserie om vinteren i separate hendelser. Det er naturlig å dele vinterhendelsene inn i tre typer hendelser som følger:
- Regnhendelse: summen av Mr er lik summen av nedbør.
- Snøsmeltehendelse: summen av Mr er større enn 0, mens summen av nedbør er 0.
- Regn på snø-hendelse: summen av Mr > summen av nedbør > 0, det vil si det regner og snøen smelter samtidig.
For å skille to vinterhendelser fra hverandre krevde vi at vann som forlater snølaget (Mr) er 0 over en periode på 6 timer som tilsvarer 6 timer nedbørsopphold for å skille to regnhendelser under sommerforhold. Vinter- og sommerhendelser med mengde mindre enn 2 mm er utelatt fra analysen.
Resultater og diskusjon
Kalibrering og validering av den kombinert hydrologiske modellen
Basert på data fra Høvringen fikk vi kalibrert og validert den kombinerte hydrologiske modellen inkludert snøakkumulering og -smelting for de ulike takkonfigurasjonene. Modellen for det svarte taket oppnådde en Kling-Gupta effektivitet (KGE) på 0.87 på kalibreringen og en KGE større enn 0.75 på validering noe som tilsier en god modell.
For de blågrønne takene varierte den kalibrerte KGE-verdien for modellene mellom 0.77 og 0.89, mens validerte verdien varierte mellom 0.64 og 0.92. Konklusjonen er at nøyaktigheten til den kombinerte modellen er tilfredsstillende med tanke på å modellere avrenning fra blågrønne tak under vinterforhold.
Vinterhendelser
Den kalibrerte snørutinen i HBV-modellen ble brukt til å karakterisere dataene fra Høvringen som er samlet inn i tidsrommet 2017-2023 for å identifisere ulike hendelser.
Basert på definisjonen av hendelser gitt over og de validerte kombinerte hydrologiske modellene er dataene klassifisert som enten regnhendelser, snøsmelting eller regn-på-snø hendelser. Figuren viser statistikk over mengde, varighet, gjennomsnittlig intensitet og maksimum intensitet for ulike typer hendelser som er identifisert, der hendelsene er sortert etter måned.
I juni til september er det bare registrert regnhendelser og disse månedene er derfor kategorisert som sommermåneder. Mai, oktober og november har i tillegg til regnhendelser også regn på snø-hendelser, mens de øvrige månedene har alle tre typer hendelser. Disse månedene er derfor i denne studien definert som vintermåneder. En viktig observasjon fra figuren er at regn på snø-hendelser har lenger varighet sammenlignet med andre typer hendelser, noe som gir større avrenning fra snølaget til taket. Dette også sammenlignet med sommerhendelser, selv om sommerhendelser har høyere gjennomsnittlig og maksimum intensiteter.
En nærmere analyse av retensjon per hendelse og reduksjon i spissavrenning for ulike blågrønne takkonfigurasjoner som funksjon av type hendelse og vinter-/sommermåneder viser stor variasjon i retensjon per hendelse for regnhendelser og regn på snø-hendelser, men at regnhendelser har noe større retensjon på sommermåneder sammenlignet med vintermåneder. Snøsmeltehendelser har mindre variasjon og større retensjon noe som kan forklares med at dette er hendelser med lite mengde og kort varighet (med unntak av april). Regn på snø-hendelser har minst retensjon av alle typer hendelser.
Videre viser analysen at reduksjonen i spissavrenning er høy for alle takkonfigurasjonene i sommermånedene med verdier godt over 80%, noe som er sammenlignbart med øvrig litteratur. Det er noe variasjon i dataene, men dette kan forklares med forskjeller i de ulike takkonfigurasjonene. Videre kan vi observere at reduksjonen i spissavrenning for regnhendelser og snøsmeltehendelser i vintermånedene er sammenlignbar med reduksjonen i spissavrenning observert i sommermånedene, mens regn på snø-hendelser har vesentlig lavere reduksjon i spissavrenningen. Dette er spesielt synlig for generasjon 1 – tak 3, som består av sedum og en tynn detensjonsmatte.
Analyse av spissavrenning fra de ulike takkonfigurasjonene som funksjon av ulik type hendelse og sommer-/vintermåneder viser en betydelig lavere spissavrenning enn vanlig svart tak. Dette er viktig dokumentasjon i forhold til at blågrønne tak også har en funksjon om vinteren. En annen observasjon er at spissavrenningen er høyest for regn på snø-hendelser, noe som støtter oppfatningen om at regn på snø-hendelser har en tendens til å forårsake større skade enn andre typer hendelser. En forklaring på dette er at snø har en betydelig lagringskapasitet for vann, men på et gitt tidspunkt vil oppsamlet vann frigjøres av regn.
Implikasjon for overvannshåndtering i kaldt klima
Funnene fra denne studien indikerer at blågrønne tak viser dårligst hydrologiske ytelse under regn-på-snøhendelser sammenlignet med regnhendelser og snøsmeltehendelser. Regn på snø-hendelser er preget av lengre varighet og høyere vannmengder, noe som fører til høy spissavrenning fra takene. Sammenlignet med sommerhendelser, gir regn på snø-hendelser høyere spissavrenning, til tross for at sommerhendelser har høyere intensitet. Dagens designpraksis for blågrønne tak benytter sommerforhold for dimensjonering, noe som kan være utilstrekkelig. Vi anbefaler at også vinterforhold vurderes når slike tak skal designes.
Tykkelsen på det fordrøyende laget til blågrønne tak ble funnet å påvirke den hydrologiske ytelsen. Tykkere fordrøyningslag ble funnet å fungere bedre under vinterforhold, spesielt for regn på snø-hendelser, enn tynnere fordrøyningslag. Men blågrønne tak uansett tykkelse på det fordrøyende laget håndterer overvannet bedre enn vanlig svart tak.
Referanser
Braskerud, B.C. & K.H. Paus (2023) Avrenning fra ekstensive grønne tak i snødekte perioder. Vann 01/2023 s 71-76
Maurin, N., Abdalla, E.H.M., Muthanna, T.M., Sivertsen, E. (2024) Understanding the hydrological performance of green and grey roofs during winter in cold climate regions. Sci. Total Environ. 945, 174132. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.174132
Maurin, N., Abdalla, E.H.M., Muthanna, T.M., Sivertsen, E. (2024) Bedre forståelse av den hydrologiske ytelsen til blågrønne tak under vinterforhold
Sivertsen E, Maurin N, Time B & Muthanna TM (2023) Klima 2050 og testing av blågrønne tak på Høvringen. Vann 03/2023 s 199 - 207
