Cloudburst mapping and flood prevention analysis for Uppsala University Hospital : Hydraulic modelling in MIKE 21 and sensitivity analysis

Översvämningar till följd av skyfall har blivit allt vanligare och förväntas att öka i takt med klimatförändringarna. Översvämningar kan ställa till stora skador för ett samhälle, framförallt när de samhällsviktiga verksamheterna blir drabbade. För att undvika att detta sker bör samhället vara byggt för att tåla stora volymer vatten som faller vid ett skyfall. Ett steg för att nå dit är att göra en skyfallskartering där flödesvägar, vattenvolymer och översvämningens utbredning tas fram genom hydraulisk modellering. Utifrån skyfallskarteringen kan sårbara områden upptäckas och förebyggande åtgärder kan utföras för att minska översvämningens negativa påverkan. Akademiska sjukhuset i Uppsala är en samhällsviktig verksamhet och har tidigare haft problem med översvämningar. I den här studien har en skyfallskartering utförts på Akademiska sjukhusets område för att ta reda på översvämningens utbredning vid ett skyfall och vilka åtgärder som lämpar sig för att förhindra översvämningar. Skyfallskarteringen utfördes i det tvådimensionella (2D) hydrauliska modelleringsprogrammet MIKE 21 Flow Model. Eftersom en skyfallskartering baseras på många generaliseringar finns det vissa osäkerheter kring valet av parametrar. Därför har även en känslighetsanalys utförts kring valet av regntyp (Chicago Design Storm (CDS) jämfört med ett blockregn), regnets varaktighet, grönytornas avrinningskoefficient och markens infiltrationshastighet. Indata till modellen baserades på olika kartdata som bearbetades i GIS-programmet ArcMap. Flera olika regn med varierande återkomsttid simulerades. Resultaten visade att det blir översvämning inne på sjukhusområdet vid ett 100-årsregn som förvärras när återkomsttiden ökar. Åtgärdsanalysen utfördes genom att lägga in förändringar i höjdmodellen för att se hur det påverkar översvämningens utbredning. Analysen visade att åtgärder som jordvallar och höjdsättning av marken kan tillämpas på området för att minska översvämningsrisken. Resultatet från känslighetsanalysen visade att ett CDS-regn ger större översvämningskonsekvenser i modelleringen än om ett blockregn av samma återkomsttid och varaktighet används. Känslighetsanalysen av varaktigheterna visade att en lång varaktighet kan leda till låga flödestoppar som inte representerar ett skyfall väl. En avrinningskoefficient på 0,4 beskriver infiltrationen i området väl och när en större avrinningskoefficient används tenderar översvämningen att bli större på grönytorna. Till sist visade resultatet att infiltrationshastigheten är en känslig parameter som bör väljas efter mer noggrann analys av marken i modelleringsområdet.Flooding as a cause of cloudbursts have become more common and is expected to increase with climate change. Floods can cause substantial damage to a society, especially when the critical societal functions are affected. To avoid this the city should be built to tolerate large volumes of water from cloudbursts. As a step on the way to accomplish this, a cloudburst mapping could be made where flow paths, water volumes and the extent of the flooding are studied through hydraulic modelling. Through the cloudburst mapping, vulnerable areas can be spotted, and flood prevention measures can be taken to lessen the extent of the floods negative impact. Uppsala University Hospital serves a critical societal function and has previously had problems with flooding. In this project a cloudburst mapping has been made in the two dimensinoal (2D) hydraulic modelling program, MIKE 21. This was done to find out the extent of a flood caused by a cloudburst event and what measures that can be taken to prevent floods. A cloudburst mapping is based off many generalized assumptions and there are some uncertainties when selecting the parameters. Because of this, a sensitivity analysis was performed on the selection of rain-type (Chicago Design Storm (CDS) vs. block-rain), rain duration, the runoff coefficient and the soil's infiltration capacity. The inputs of the model were based off different geographic data and then constructed in the GIS-program ArcMap. Several different rain events with varying duration and return periods were simulated. The results showed that there is considerable flooding in the area after a rain with a 100-year return period and it gets worse when the return period increases. The flood prevention analysis was made by editing the terrain to mimic flood prevention measures and study how the extent of the flood responds to the edits. The analysis showed that measures like soil barriers and changes in elevation were effective in lessening the risk of flooding. The results from the sensitivity analysis showed that a CDS-rain causes a more significant flooding compared to a block-rain of the same return period and duration. The sensitivity analysis of the rain duration proved that a long duration can lead to flat flow curves that doesn't resemble a flow curve from a cloudburst event. A runoff coefficient of 0.4 describes the infiltration in the area well and with a larger coefficient the flooding on greenery tend to grow. Lastly, the infiltration capacity proved to be a sensitive parameter that needs to be selected carefully, preferably after a thorough soil analysis