Integration of water sensitive urban design in a typical urban block in Greece

Abstract

The urbanization process in many cities worldwide has disrupted the natural water cycle, primarily due to increased urban density, impervious surfaces, and inadequate green spaces. Conventional stormwater management methods prioritize rapid collection and drainage, resulting in reduced infiltration and evaporation. Coupled with the projected intensification of rainfall extremes due to climate change, these changes have significant implications. This study focuses on the city of Athens, Greece, which has experienced intense urbanization since the second half of the 20th century. The expansion of urban areas, construction of infrastructure projects, and use of impermeable materials have transformed the water cycle, giving rise to an urban water cycle. The consequences of this shift include reduced water supply, adverse local climate effects such as the urban heat island effect, increased pollution in water bodies, and heightened flood risks. To mitigate these challenges, a paradigm shift towards Water Sensitive Urban Design (WSUD) has taken place globally. WSUD aims to mimic the natural water cycle and integrates natural water treatment systems into urban planning, providing multiple benefits for the environment and society. Implementing WSUD requires the use of Best Management Practices (BMPs) at various scales, such as green roofs, permeable paving, and rainwater harvesting. This doctoral research focuses on developing the structure for a new computational model to evaluate BMPs for stormwater management in existing urban blocks in Greece. The purpose of the model is to serve as a decision-support tool for architects that will facilitate simulating different BMP implementation scenarios, encompassing data preparation, existing condition simulation, and BMP scenario simulation. It includes various components for runoff estimation, evapotranspiration estimation, and scenario visualization. The thesis describes all the steps for the development of the new urban water model. During the doctoral research, the objectives of the model were defined, the required data was collected, the model was conceptualized, the model structure, including the equations and algorithms, was analyzed, and the model inputs and outputs were identified. The model, named “MARSH”, was developed in Grasshopper in the context of the "UBWARMM" research program. The doctoral thesis includes testing the developed model using an urban block in Athens as a case study and presenting and analyzing the models’ results. The dissertation concludes with an evaluation of the model and suggestions for future improvements. This research allows the integration of the water cycle into the urban planning process and the promotion of sustainable stormwater management. By providing architects and urban planners with a user-friendly tool to assess and implement BMPs, this study aims to enhance the resilience and livability of urban environments in Greece and other countries with similar climatic conditions.

Η διαδικασία αστικοποίησης σε πολλές πόλεις παγκοσμίως έχει διαταράξει τον φυσικό κύκλο του νερού, κυρίως λόγω της αυξημένης αστικής πυκνότητας, των αδιαπέραστων επιφανειών και των ανεπαρκών χώρων πρασίνου. Οι συμβατικές μέθοδοι διαχείρισης των ομβρίων υδάτων δίνουν προτεραιότητα στην ταχεία συλλογή και αποστράγγιση, με αποτέλεσμα τη μείωση της διήθησης και της εξάτμισης. Σε συνδυασμό με την προβλεπόμενη εντατικοποίηση των ακραίων βροχοπτώσεων λόγω της κλιματικής αλλαγής, αυτές οι αλλαγές έχουν σημαντικές επιπτώσεις. Η διδακτορική αυτή διατριβή εστιάζει στην πόλη της Αθήνας, στην Ελλάδα, η οποία γνώρισε έντονη αστικοποίηση από το δεύτερο μισό του 20ου αιώνα. Η επέκταση των αστικών περιοχών, η κατασκευή έργων υποδομής και η χρήση αδιαπέραστων υλικών έχουν μεταμορφώσει τον κύκλο του νερού, δημιουργώντας έναν αστικό κύκλο του νερού. Οι συνέπειες αυτής της μετατροπής περιλαμβάνουν την μειωμένη παροχή νερού, δυσμενείς τοπικές κλιματικές επιπτώσεις, όπως το φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας, αυξημένη ρύπανση στα υδατικά συστήματα και αυξημένους κινδύνους πλημμύρας. Για τον μετριασμό αυτών των προκλήσεων, έχει πραγματοποιηθεί παγκοσμίως μια αλλαγή στον τρόπο αντιμετώπισης του νερού στον αστικό σχεδιασμό που περιγράφεται στην βιβλιογραφία ως Water Sensitive Urban Design (WSUD). Το WSUD στοχεύει να μιμηθεί τον φυσικό κύκλο του νερού και να ενσωματώσει φυσικά συστήματα επεξεργασίας του νερού στον αστικό σχεδιασμό, παρέχοντας πολλαπλά οφέλη για το περιβάλλον και την κοινωνία. Η εφαρμογή του WSUD απαιτεί τη χρήση Βέλτιστων Πρακτικών Διαχείρισης (Best Management Practice ή BMPs) σε διάφορες κλίμακες, όπως είναι οι πράσινες στέγες, τα υδατοπερατά δάπεδα καθώς και οι δεξαμενές αποθήκευσης όμβριων υδάτων. Η διδακτορική έρευνα επικεντρώνεται στην ανάπτυξη ενός «φιλικού προς τον αρχιτέκτονα» υπολογιστικού μοντέλου που διευκολύνει την αξιολόγηση βέλτιστων πρακτικών διαχείρισης των ομβρίων υδάτων (Best Management Practice-BMPs) σε υπάρχοντα οικοδομικά τετράγωνα στην Ελλάδα. Το μοντέλο λειτουργεί ως εργαλείο λήψης αποφάσεων-υποστήριξης για αρχιτέκτονες προσομοιώνοντας διαφορετικά σενάρια εφαρμογής BMPs. Το μοντέλο ενσωματώνει στοιχεία που αφορούν στην εκτίμηση της απορροής, την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής και την οπτικοποίηση διαφορετικών σεναρίων διαχείρισης των ομρβίων υδάτων σε τρισδιάστατο σχεδιαστικό περιβάλλον. Η διατριβή περιγράφει όλα τα βήματα προς την ανάπτυξη του νέου αυτού μοντέλου. Κατά τη διδακτορική έρευνα, καθορίστηκαν οι στόχοι του μοντέλου, συλλέχθηκαν τα απαιτούμενα δεδομένα, αναλύθηκε η δομή του μοντέλου, συμπεριλαμβανομένων των εξισώσεων και των αλγορίθμων που απαιτούνται για την ανάπτυξη του, και προσδιορίστηκαν τα δεδομένα που εισάγονται στο μοντέλο (input) καθώς και τα αποτελέσματα του (output). Το μοντέλο, με το όνομα «MARSH», αναπτύχθηκε στο Grasshopper στο πλαίσιο του ερευνητικού προγράμματος «UBWARMM». Η διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει τη δοκιμή του “MARSH” χρησιμοποιώντας ένα οικοδομικό τετράγωνο στην Αθήνα ως μελέτη περίπτωσης. Η διατριβή ολοκληρώνεται με την αξιολόγηση του μοντέλου και προτάσεις για μελλοντικές βελτιώσεις και προσθήκες. Το μοντέλο επιτρέπει την ενσωμάτωση του κύκλου του νερού στη διαδικασία του αστικού σχεδιασμού και την προώθηση της βιώσιμης διαχείρισης των ομβρίων υδάτων. Παρέχοντας σε αρχιτέκτονες και πολεοδόμους ένα φιλικό προς τον χρήστη εργαλείο για την αξιολόγηση και την εφαρμογή BMPs, η διατριβή στοχεύει να ενισχύσει την ανθεκτικότητα και τη βιωσιμότητα των αστικών περιβαλλόντων στην Ελλάδα και σε άλλες χώρες με παρόμοιες κλιματικές συνθήκες.