A dynamic and spatially distributed rainfall runoff model - Developing a model for overland flow in GIS, based on a multiple flow direction algorithm

Climate change is expected to cause 20-25% heavier rainfall in Sweden which, in combination with the ongoing urbanization, increases the probability of flooding in urban areas. These floods may cause large infrastructural damage and economical costs. Therefore, adequate models for overland flow are needed to identify high-risk areas where mitigating actions should be performed. In this thesis a new model of intermediate complexity is developed. It is the first known dynamic model which uses the triangular form-based multiple flow algorithm by Pilesjö and Hasan (2014). The model only includes some basic hydrological processes and is therefore less complex than the fully physically based models. Meanwhile, the model still resembles the nature of flow to a larger extent than simpler static models. It includes temporally dynamic and spatially distributed precipitation as well as spatially distributed infiltration and surface roughness. The model is implemented as Matlab code which derives results at different modelling times. By using a geographical information system, the results are visualized as maps of water depths at different stages during and after a precipitation event. Modelling results for Swedish urban and rural conditions are presented together with some initial investigations on how resolution, area and runtime are related.Klimatförändringen förväntas orsaka 20-25% kraftigare regnoväder i Sverige vilket, tillsammans med urbaniseringen, ökar sannolikheten för översvämningar i urbana områden. En översvämningen kan innebära stora materiella skador och kostnader för samhället. För att förebygga dessa behövs mer kunskap om vilka områden i staden som är mest utsatta. Information om var och när stora vattenmängder väntas kan uppskattas med hjälp av hydrologiska modeller. I det här arbetet har en ny dynamisk modell tagits fram. Till skillnad från de vanligt förekommande statiska modellerna beskriver den här modellen även hur vattendjup förändras över tid. Samtidigt är avsikten att modellen ska vara mindre komplex än de modeller som har en fullständigt fysikalisk beskrivning av hydrologin. Modellen är den första dynamiska modellen som använder en flödesalgoritm, kallad TFM (Pilesjö and Hasan, 2014), för att beräkna hur vatten fördelas vid varje tidssteg. Modellen använder höjddata i rasterformat, hanterar nederbörd med temporal och rumslig variation samt inkluderar spatialt distribuerad infiltration och markfriktion. Modellen har implementerats i Matlab och resultaten har visualiserat med geografiska informations system i form av kartor över vattendjup vid olika tidpunkter. Modellens uppbyggnad beskrivs matematiskt och presenteras tillsammans med resultat för svenska urbana och rurala testområden. Förhållanden mellan upplösning, områdesarea och beräkningstid har också undersökts.Vattenflöden och översvämningar simuleras i en nyutvecklad modell Klimatförändringarna innebär att kraftigare skyfall blir vanligare i Sverige. Skyfallet i Malmö den 31 augusti 2014 kostade Malmö stad minst 100 miljoner kronor och då är inte kostnader för privatpersoner och försäkringsbolagen inräknade. För att öka kunskapen om var framtida översvämningar kan inträffa har ett nytt modelleringsprogram utvecklats och testats. Intensiteten på regnoväder väntas öka med 20-25% i Sverige enligt de klimatmodeller som gjorts. Samtidigt byggs infrastrukturen i våra städer ut i form av hus till bostäder, byggnader till affärsverksamhet och produktion samt vägar och parkeringsplatser. Detta innebär fler hårdgjorda ytor, vilka ger en förändrad hydrologi, som orsakar mer ytavrinning i jämförelse med naturlig mark där en större mängd vatten kan infiltrera på plats. Ökad ytavrinning innebär i sin tur ökad risk för översvämningar om det inte finns något sätt som vattnet bromsas eller stoppas upp på. Det kan till exempel ske genom att ytvattnet styrs mot grönområden, så som parker med gräsmattor och dammar, där det kan tas upp av marken utan att orsaka skador. Översvämningar uppstår ofta vid väldigt kraftiga regnoväder som orsakar så mycket ytvatten att dagvattensystemet (avloppsledningsnätet) blir överfullt. För att öka kunskapen om hur vi kan möta utmaningarna med översvämningar behövs det nya verktyg som kartlägger var riskerna finns. Därför har ett nytt modelleringsprogram utvecklats som klarar av att simulera begränsade geografiska områden i både stadsmiljö och landsbygd. De matematiska beräkningsalgoritmer som programmet bygger på har utvecklats vid Lunds Universitet. Det nya med det här programmet är att det bara hanterar de mest nödvändiga delarna av hydrologin utan att kräva alltför avancerade hydrologiska kunskaper vilket ofta annars behövs för att köra liknande hydrologiska modelleringsprogram. Modelleringsprogrammet hanterar nederbörd, infiltration samt avrinning från hustak och vägar. Även dagvattenbrunnar, som tar hand om vatten, kan tas med i beräkningarna. Programmet simulerar hela förloppet av ett kortare eller längre regnoväder. Resultaten kan visualiseras i form av kartor över översvämmade områden och förväntade vattendjup i de olika delarna staden. De visar alltså var det sannolikt kan uppstå översvämningar och säger därmed en del om var förebyggande insatser bör sättas in. Ett användningsområde för den här modellen kan vara att testa hur en förändrad stadsbild, med till exempel nya grönområden, diken och förändrad höjdsättning, kan fördröja och ändra vattnets avrinningsvägar. Modelleringsprogrammet kan då köras med de planerade förändringarna för att undersöka om översvämningar och högt vattenstånd kan förväntas minska på de platser i staden som behöver skyddas. På motsvarande sätt så kan planerade nybyggen användas som indata i modelleringsprogrammet för att undersöka om de riskerar att orsaka översvämningar i framtiden