Watershed delineation for runoff estimations to culverts in the Swedish road network : a comparison between two GIS based hydrological modelling methods and a manually delineated watershed

The anticipated climate changes are predicted to alter the precipitation patterns in Sweden. Increased episodes of intense short-duration rainfall and higher intensities of day long-duration rainfall are expected. Road sections are often a target of flooding, causing impassable roads, due to the lack of capacity of drainage systems. One of the factors determining the water flow to a depression is the size of the contributing watershed. In this study, catchments derived from two flow routing methods, the deterministic eight-node algorithm (D8) and the Triangular Form-based Multiple flow algorithm (TFM), are compared to a manually measured watershed, to investigate the runoff to a single culvert. For further comparison of the modelled catchments the elevation of the data is modified into different height intervals. The deviations between the modelled catchments to the manually delineated watershed are noticeable regarding both size and shape. The differences between the modelled watersheds are minor concerning size, shape and location. Based on the six digital elevation models tested in this study, the TFM catchments covered a greater area in comparison to the D8 catchments when the vertical resolution is high, whilst the D8 watersheds cover a greater area when the vertical resolution is low. According to the estimated 50-, 100- and 200-year flows, the investigated culvert is not likely to be flooded.Till följd av de förväntade klimatförändringarna beräknas nederbördsmönstren i Sverige att förändras. Episoder av intensiv och kortvarig nederbörd förväntas öka på flertal ställen i landet, samt att utsträckningen av långvarig nederbörd, som kan pågå under flera dagar, även den, förväntas att öka. Det svenska vägnätet stöter redan idag på problem att möta de förändrade nederbördsmängderna, då vägsektioner är ofta blir ett mål för översvämning. Ansamlingar av regn vid låga punkter längst vägarna, orsakar blockerade och översvämmade vägar, vilket ofta är ett resultat av brist på kapacitet i våra befintliga dräneringssystem. En av de faktorer som kan användas då man bestämmer vattenflödet till en sänka längst vägen, är storleken på avrinningsområdet som bidrar med vatten till denna punkt. Avrinningsområden kan mätas upp manuellt, men idag är det vanligt att avrinningsområden avgränsas digitalt med hjälp av höjddata i GIS-miljö. För att avgöra avgränsningen av det område som bidrar med avrinning till en punk digitalt, finns det flertal flödesriktningsalgoritmer att välja mellan. I denna studie jämförs avrinningar från två flödesriktningsalgoritmer, den Deterministiska åtta nodalgoritmen (D8) och den Triangulära formbaserade multipla flödesriktnings-algoritmen (TFM), med ett manuellt uppmätt avrinningsområde. Genom att använda arean av avrinningsområdena, kan avrinningen för olika återkomst perioder till en kulvert undersökas. För ytterligare jämförelse av de storleken på de modellerade avrinningsområdena modifierades även höjddata till lägre upplösningar. Skillnaderna mellan de modellerade avrinningsområdena till den manuellt avgränsade avrinningsområdet är märkbara med avseende på både storlek och form. Skillnaderna mellan de modellerade avrinningsområdena är små, då storleken, formen och plats är snarlika. Baserat på de sex digitala höjdmodellerna som testades i denna studie täckte avrinningsområdena generade av TFM modellen ett större område i jämförelse med D8- avrinningsområdena när den vertikala upplösningen är hög. Avrinningsområdena skapade av D8 modellen täcker dock ett större område när den vertikala upplösningen är låg, jämfört med de avrinningsområdena genererade av TFM modellen