Urbanization growth ultimately affects the hydrological cycle reducing infiltration and evapotranspiration, directing most of the stormwater to the sewer system and so increasing flood risk. When washing off impermeable surfaces, runoff transports pollutants loads generated by anthropogenic, biogenic activities and infrastructure. Diffuse non-source discharge from rainfall-runoff processes is currently the major source of water quality impairment. The traditional urban drainage management has become impractical in current urbanization scenarios, pushing towards comprehensive measures that promote infiltration on its source. These measures are commonly known as SuDs (sustainable urban drainage systems) and propose different solutions to achieve a long term and sustainable urban drainage management, acting both on runoff volume and pollutants load. There are many practices on this approach, such as permeable pavements, infiltration trenches, green roofs, detention reservoirs. Permeable pavement act on both runoff water volume and pollutants load. It can be described as an infiltration system on which runoff infiltrates through a permeable layer or other stabilized permeable surface. Dry deposition particulate matter (PM) deposited on the surface of permeable pavements decrease water infiltration until unsatisfactory performance. Clogging is influence by the surface pore structure and the PM granulometric indices, blocking the connected porosity. Pollutants loads partition on PM fractions allowing physical separation through filtration mechanisms. This research investigates aspects of runoff volume and pollutant load on porous asphalt (PA) and pervious concrete (PC) that are commonly used as surface on permeable pavement through an experimental plan. A rainfall simulator was developed to measure on laboratory runoff volume and hydraulic conductivity on initial conditions and under the effect of sediments load. Part of the porous asphalt specimens were analyzed with x-ray micro-CT tomography (XRT) to obtain pore structure parameters. Dry deposition (PM) was sampled on four different locations in Milan (Italy) and was obtained the accumulation rate and granulometric indices. The laboratory and field results were used to model permeability and filtration mechanism. The results showed the efficiency of both type of tested materials (PC and PA) for runoff volume reduction and pollutants load removal under the tested conditions. The permeability model showed that the falling head permeameter does not yield a darcyan hydraulic conductivity. The filtration mechanism model showed good accordance between measured and modeled results.

La crescita dell'urbanizzazione influisce sul ciclo idrologico riducendo l'infiltrazione e l'evapotraspirazione, indirizzando la maggior parte dell'acqua piovana verso il sistema fognario e quindi aumentando il rischio di inondazioni. Il deflusso superficiale promuove il dilavamento delle superfici impermeabili trasportando in essa un carico di sostanze inquinanti generati da attività e infrastrutture antropogeniche e biogeniche. La tradizionale gestione del drenaggio urbano è diventata poco pratica negli attuali scenari di urbanizzazione, spingendo verso misure globali che promuovono l'invarianza idraulica. Queste misure sono comunemente note come SuD (sistemi di drenaggio urbano sostenibile) e propongono diverse soluzioni per ottenere una gestione del drenaggio urbano sostenibile a lungo termine, che agisca sia sul volume di deflusso sia sul carico di inquinanti. Ci sono molte pratiche su questo approccio, come i pavimenti permeabili, le trincee di infiltrazione, i tetti verdi. La pavimentazione permeabile agisce sia sul volume dell'acqua di deflusso che sul carico degli inquinanti. Può essere descritto come un sistema di infiltrazione su cui il deflusso si infiltra attraverso uno strato permeabile o altra superficie permeabile stabilizzata. Il particolato (PM) depositato sulla superficie delle pavimentazioni permeabili diminuisce le infiltrazioni d'acqua fino a prestazioni insoddisfacenti. L'intasamento è influenzato dalla struttura dei pori superficiali e dagli indici granulometrici del PM, bloccando la porosità connessa. Gli inquinanti caricano la partizione sulle frazioni di PM consentendo la separazione fisica attraverso meccanismi di filtrazione. Questa ricerca indaga gli aspetti del volume di deflusso e del carico inquinante su asfalto poroso (PA) e calcestruzzo permeabile (PC) che sono comunemente usati come superficie sulla pavimentazione permeabile attraverso un piano sperimentale. Un simulatore di pioggia è stato sviluppato per misurare in laboratorio il volume di deflusso e la conduttività idraulica nelle condizioni iniziali e sotto l'effetto del carico di sedimenti. Una parte dei campioni di asfalto poroso è stata analizzata con la microtomografia a raggi X (XRT) per ottenere i parametri della struttura dei pori. La deposizione a secco (PM) è stata campionata in quattro diverse sedi a Milano (Italia) ed è stato ottenuto il tasso di accumulo e gli indici granulometrici. I risultati di laboratorio e sul campo sono stati utilizzati per modellare la permeabilità e il meccanismo di filtrazione. I risultati hanno mostrato l'efficienza di entrambi i tipi di materiali testati (PC e PA) per la riduzione del volume di deflusso e la rimozione del carico di inquinanti nelle condizioni testate. Il modello di permeabilità ha mostrato che il permeametro a carico costante non produce una conduttività idraulica darcyana. Il modello del meccanismo di filtrazione ha mostrato una buona concordanza tra i risultati misurati e quelli modellati.

Porous surfaces for permeable pavement: clogging and filtration mechanisms

LOBO MARCHIONI, MARIANA

Abstract

Urbanization growth ultimately affects the hydrological cycle reducing infiltration and evapotranspiration, directing most of the stormwater to the sewer system and so increasing flood risk. When washing off impermeable surfaces, runoff transports pollutants loads generated by anthropogenic, biogenic activities and infrastructure. Diffuse non-source discharge from rainfall-runoff processes is currently the major source of water quality impairment. The traditional urban drainage management has become impractical in current urbanization scenarios, pushing towards comprehensive measures that promote infiltration on its source. These measures are commonly known as SuDs (sustainable urban drainage systems) and propose different solutions to achieve a long term and sustainable urban drainage management, acting both on runoff volume and pollutants load. There are many practices on this approach, such as permeable pavements, infiltration trenches, green roofs, detention reservoirs. Permeable pavement act on both runoff water volume and pollutants load. It can be described as an infiltration system on which runoff infiltrates through a permeable layer or other stabilized permeable surface. Dry deposition particulate matter (PM) deposited on the surface of permeable pavements decrease water infiltration until unsatisfactory performance. Clogging is influence by the surface pore structure and the PM granulometric indices, blocking the connected porosity. Pollutants loads partition on PM fractions allowing physical separation through filtration mechanisms. This research investigates aspects of runoff volume and pollutant load on porous asphalt (PA) and pervious concrete (PC) that are commonly used as surface on permeable pavement through an experimental plan. A rainfall simulator was developed to measure on laboratory runoff volume and hydraulic conductivity on initial conditions and under the effect of sediments load. Part of the porous asphalt specimens were analyzed with x-ray micro-CT tomography (XRT) to obtain pore structure parameters. Dry deposition (PM) was sampled on four different locations in Milan (Italy) and was obtained the accumulation rate and granulometric indices. The laboratory and field results were used to model permeability and filtration mechanism. The results showed the efficiency of both type of tested materials (PC and PA) for runoff volume reduction and pollutants load removal under the tested conditions. The permeability model showed that the falling head permeameter does not yield a darcyan hydraulic conductivity. The filtration mechanism model showed good accordance between measured and modeled results.
GUADAGNINI, ALBERTO
BECCIU, GIANFRANCO
SANSALONE, JOHN
19-giu-2018
Porous surfaces for permeable pavement: clogging and filtration mechanisms
La crescita dell'urbanizzazione influisce sul ciclo idrologico riducendo l'infiltrazione e l'evapotraspirazione, indirizzando la maggior parte dell'acqua piovana verso il sistema fognario e quindi aumentando il rischio di inondazioni. Il deflusso superficiale promuove il dilavamento delle superfici impermeabili trasportando in essa un carico di sostanze inquinanti generati da attività e infrastrutture antropogeniche e biogeniche. La tradizionale gestione del drenaggio urbano è diventata poco pratica negli attuali scenari di urbanizzazione, spingendo verso misure globali che promuovono l'invarianza idraulica. Queste misure sono comunemente note come SuD (sistemi di drenaggio urbano sostenibile) e propongono diverse soluzioni per ottenere una gestione del drenaggio urbano sostenibile a lungo termine, che agisca sia sul volume di deflusso sia sul carico di inquinanti. Ci sono molte pratiche su questo approccio, come i pavimenti permeabili, le trincee di infiltrazione, i tetti verdi. La pavimentazione permeabile agisce sia sul volume dell'acqua di deflusso che sul carico degli inquinanti. Può essere descritto come un sistema di infiltrazione su cui il deflusso si infiltra attraverso uno strato permeabile o altra superficie permeabile stabilizzata. Il particolato (PM) depositato sulla superficie delle pavimentazioni permeabili diminuisce le infiltrazioni d'acqua fino a prestazioni insoddisfacenti. L'intasamento è influenzato dalla struttura dei pori superficiali e dagli indici granulometrici del PM, bloccando la porosità connessa. Gli inquinanti caricano la partizione sulle frazioni di PM consentendo la separazione fisica attraverso meccanismi di filtrazione. Questa ricerca indaga gli aspetti del volume di deflusso e del carico inquinante su asfalto poroso (PA) e calcestruzzo permeabile (PC) che sono comunemente usati come superficie sulla pavimentazione permeabile attraverso un piano sperimentale. Un simulatore di pioggia è stato sviluppato per misurare in laboratorio il volume di deflusso e la conduttività idraulica nelle condizioni iniziali e sotto l'effetto del carico di sedimenti. Una parte dei campioni di asfalto poroso è stata analizzata con la microtomografia a raggi X (XRT) per ottenere i parametri della struttura dei pori. La deposizione a secco (PM) è stata campionata in quattro diverse sedi a Milano (Italia) ed è stato ottenuto il tasso di accumulo e gli indici granulometrici. I risultati di laboratorio e sul campo sono stati utilizzati per modellare la permeabilità e il meccanismo di filtrazione. I risultati hanno mostrato l'efficienza di entrambi i tipi di materiali testati (PC e PA) per la riduzione del volume di deflusso e la rimozione del carico di inquinanti nelle condizioni testate. Il modello di permeabilità ha mostrato che il permeametro a carico costante non produce una conduttività idraulica darcyana. Il modello del meccanismo di filtrazione ha mostrato una buona concordanza tra i risultati misurati e quelli modellati.
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