INOM
EXAMENSARBETE
SAMHÄLLSBYGGNAD,
AVANCERAD NIVÅ, 30 HP
,
STOCKHOLM SVERIGE 2020
Skyfallsanalys i urban miljö
En komparativ studie mellan MIKE 21 och
MIKE FLOOD
ELIN ANDERSSON
KTH
Skyfallsanalys i urban miljö
En komparativ studie mellan MIKE 21 och
MIKE FLOOD
Flood modelling in urban areas
A comparative study of MIKE 21 and MIKE FLOOD
Elin Andersson
Handledare på KTH
Luigia Brandimarte
Examinator
Anders Wörman
Handledare på Tyréns
Xavier Mir Rigau
Degree Project in Environmental Engineering and Sustainable Infrastructure KTH Royal Institute of Technology
School of Architecture and Built Environment
Department of Sustainable Development, Environmental Science and Engineering SE-100 44 Stockholm, Swede
ii
Summary
Several municipalities in Sweden have been affected by cloudbursts and a changing climate indicates a future where these events gets more common. Cloudburst are events where extreme precipitation takes place under a short period of time. The consequences is flooding where damages to property and impede accessibility for emergency vehicles are some possible effects. Flood modelling is a way to identify vulnerable areas so that mitigations can be implemented. For example municipalities can use it when planning for new household areas and infrastructure.
The Danish Hydrological Institute (DHI) has developed MIKE 21 and MIKE Flood. MIKE Flood is a coupled 1D-2D model while MIKE 21 is a 2D model. For the coupled model the storm water collection system can be integrated and represented by the model MIKE Urban. In the MIKE 21 model the collection system is represented by withdrawing a standard value from the applied rainfall. This comes with the assumption that the collection system fills up completely with the assumed capacity represented by the standard value. Since, MIKE Flood is a coupled 1D-2D model it requires more time and data to set up than the 2D model. Therefore, this study aims to compare these models in order to evaluate the impact of implementing the storm water collection system. Further, to evaluate how the division of the rain loads to each model affect the modelling results.
This thesis is performed by setting up MIKE 21 and MIKE Flood for an area in Nacka. The models will be run for six scenarios, which results in a total of 12 simulations. For the scenarios two different recurrences are tested, a 100 and 50 year cloudburst event. Further, the collection system is represented with three different loads corresponding to a 5, 10 or 20 year rainfall event. The modelling results in maps containing water depths and flood extent. In order to compare the models the generated water depths and extent was compared. If the difference between the models was lower than 0.1 meter they was assumed to generate approximately the same result. In order to examine how well MIKE 21 and MIKE Flood matched in the different scenarios an index, measure of fit, was calculated. Moreover, the interaction between the 1D and 2D model was investigated for MIKE Flood.
The result showed that there was a difference in flood depth and extent between MIKE 21 and MIKE Flood. Generally there were more flooded cells in MIKE Flood than in MIKE 21 for each scenario besides one. The larges difference between generated water depths was for depths between 0.1 to 0.3 meters. MIKE flood generates a bigger flood extent downstream along the collection system due to the lack of capacity in those parts of the collection system, along Vikdalsvägen the collection system seem to have the capacity to handle a 5 year load. The probable reason for the difference is the interaction between the collection system and 2D model. The collection system, MIKE Urban, enters new paths for the rain to travel that is not available in a 2D model. In areas where the capacity is reached there will be a flux from the 1D model to the 2D model and in areas whit capacity the flux can be in the opposite direction. The assumption that the collection system fills up entirely is not correct for Nacka. Further, the difference between the results from MIKE 21 and MIKE Flood increased with a higher network load. Which indicates that the importance of the storm water collection system reduces with more extreme precipitation events. That is the reason the index, measure of fit, is higher for the scenarios with a cloudburst of a 100 year return period.
iii
Abstract
Redan idag har många kommuner i Sverige drabbats av skyfall och ett förändrande klimat indikerar att skyfall kommer bli vanligare. Översvämningar till följd av skyfall kan ge konsekvenser som skador på hus, vägar och även utgöra fara för människors hälsa. Skyfallskartering är ett verktyg som kan användas för att identifiera utsatta områden vid inträffandet av ett extremt regnförlopp. DHI har utvecklat MIKE 21 och MIKE Flood som kan användas vid skyfallsmodellering. MIKE Flood är en kopplad 1D-2D modell där ledningsnätet integreras. MIKE 21 är en 2D modell där regnets transportväg på ytan simuleras, ledningsnätet representeras av ett schablonvärde som dras bort från regnet som belastar modellen. Denna studie avser att jämföra dessa modeller för att undersöka behovet av att integrera ledningsnätet, samt utreda hur olika belastningar på ledningsnätet påverkar resultatet. Denna komparativa studie bygger på att MIKE 21 och MIKE Flood sätts upp för samma område lokaliserat i Nacka. Modelleringen resulterar i en karta som visar vattendjup och översvämningens utbredning. Resultatet visar att den största differensen mellan vattendjupen uppstår för djup mellan 0.1 till 0.3 meter. Vidare ger MIKE Flood generellt en större översvämningsutbredning än MIKE 21. Anledningen till denna skillnad är interaktionen mellan 1D och 2D modellen i MIKE Flood. Valet av schablonvärde är viktigt för MIKE 21 modellen då det har en stor påverkan på översvämningsutbredningen. Ledningsnätet betydelse minskar desto mer extrem nederbörden är.
Nyckelord
iv
Förord
Detta examensarbete utfördes i samarbete med Tyréns på avdelningen dagvatten och modellering. Först och främst vill jag tacka min handledare Xavier Mir Rigau för att du delat med dig av dina modelleringskunskaper och också för ditt tålamod. Jag vill också tacka Martin Rosen för grundidén till detta examensarbete. Stort tack till Jannike Sondal och alla andra på avdelningen på Tyréns som välkomnade mig, även om vistelsen på kontoret blev något kort.
I also want to thank my supervisor at KTH Luigia Brandimarte, I always fell inspired after receiving feedback from you.
Sist men absolut inte minst vill jag tacka min familj och min sambo Erik. För ert stöd genom hela arbetet, både med tuffa formuleringar och ett alltid lyssnande öra.
v
Innehållsförteckning
Introduktion ... 1
Skyfallens konsekvenser
... 1
Planera för skyfall
... 2
Skyfallsmodellering
... 3
Ledningsnätets utformning
... 4
Nederbörd
... 4
Avrinningsområdets egenskaper
... 6
Områdesbeskrivning
... 7
Syfte och frågeställning
... 7
Material och metod ... 8
MIKE Urban
... 8
MIKE 21
... 9
Schablonavdraget som representerar ledningsnätet ... 9
MIKE Flood
... 9
Underlagsdata
... 10
Bearbetning av data
... 11
Höjdmodell ... 11
Markens råhet ... 11
Nederbörd
... 12
Övriga parametrar
... 14
Analys
... 14
Vattendjup ... 14
Modellernas utbredning ... 15
Utbytet mellan MIKE 21 och MIKE Urban
... 15
Resultat och diskussion ... 16
Vattendjup
... 16
Modellernas utbredning
... 18
Utbytet mellan MIKE 21 och MIKE Urban
... 22
Osäkerheter med modellering
... 24
Slutsats ... 26
Referenser ... 27
Bilaga A ... 29
Bilaga B ... 31
vi
Bilaga D ... 36
Bilaga E ... 41
Bilaga F ... 42
Bilaga G ... 43
vii
Definitioner av centrala begrepp
CDS-regn Chicago Design Storm
Dagvatten Ytligt avrinnande regnvatten och smältvatten
Dagvattenledningsnät Dagvatten som förs bort genom ledningar
DHI Danska hydrologiska institutet
Dränvatten Vatten som avleds genom dränering
Ledningshjässa Dagvattenledningar dimensioneras för hjässnivå, då ledningshjässan nås är ledningen full
Skyfall Kraftigt regn som faller under en begränsad tid
Spillvatten Förorenat vatten från hushåll, industrier och serviceanläggningar
MIKE Flood Kopplad 1D-2D modell
MIKE 21 2D modell
MIKE Urban 1D modell
1
Introduktion
Många av Sveriges kommuner drabbas av skyfall som kan leda till översvämningar. Under perioden 2009-2018 drabbades 167 kommuner minst en gång av extrem nederbörd under sommarmånaderna (Nyberg et al., 2019). Beroende på var dessa händelser inträffar får de olika konsekvenser. I urbana områden kan det leda till skador på bebyggelse (DHI, 2019). Vägar kan också översvämmas och därmed förhindra framkomligheten för bland annat utryckningsfordon (Svensson, 2019).
Skyfall innebär att en stor mängd nederbörd faller under en kort tidsperiod. SMHIs definitionen lyder
’minst 50 mm på en timme eller minst 1 mm på en minut’ (Olsson et al., 2017, 64). Händelserna
förekommer vanligtvis under sommarmånaderna i samband med åskoväder. Det framtida klimatet pekar mot en framtid där skyfall inträffar oftare (Sannebro, 2019). Dessutom är skyfall svåra att förutse för meteorologerna då det är meteorologiskt kaotiska. Därför kan det vara svårt att varna för skyfall då osäkerheten är stor i både tid och rum (Salomonsson et al., 2017, 16). Det är därför bra om samhället förbereda sig och planerar i beredskap för dessa händelser. Skyfallskartering är ett verktyg som kan användas i exempelvis VA-planering, beredskapsplanering, fysisk planering eller inom alla dessa områden (MSB, 2017, 12-14).
Skyfallskartering kan användas för att utforska vilka områden som är utsatta vid extrem nederbörd. Det vill säga karteringen visar vilka områden som översvämmas när dagvattensystemet och markens infiltration inte längre kan ta om hand om vattenmängden. Danska hydrologiska institutet (DHI) har utvecklat MIKE som är en mjukvara bestående av flera olika modelleringsverktyg. MIKE 21 och MIKE Flood är de modeller som kan användas vid skyfalls modellering. MIKE 21 är en 2D modell som simulerar regnets transportväg på ytan och var det ansamlas i lågpunkter. MIKE Flood är en kopplad 1D-2D modell där ledningsnätet integreras genom en 1D modell i MIKE Urban (DHI, 2019). I den enkla 2D modellen kan ledningsnätet representeras genom att ett schablonvärde dras bort från regnet som ska applicerade på modellen (MSB, 2017).
Eftersom den kopplade modellen kräver att även en 1D modell sätts upp är det naturligt att denna metod är mer tidskrävande samt att behovet av underlagsdata är större. Samtidigt så ska skyfallskartering vara ett verktyg för att förmildra skador till följd av skyfall genom att implementera rätt åtgärder (MSB, 2017). Därför behöver karteringen vara riktig så att åtgärderna implementeras på rätt plats och att samhällets resurser går till rätt sak. Denna studie kommer jämföra 2D modellen med den kopplade 1D-2D modellen för att undersöka behovet av att inkludera dagvattenledningsnätet.
Till att börja med kommer konsekvenserna till följd av skyfall att presenteras och sedan hur man kan planera i beredskap för dessa händelser. Detta för att visa på vikten av skyfallskarteringen och dess användbarhet. Kortfattat kommer ledningsnätets utformning redogöras för att få en förståelse för att de har utformats på många olika sätt genom årens gång, vilket leder till att förutsättningarna variera mycket inom Sverige. De hydrauliska processer som äger rum kommer redogöras, det vill säga vattnets transport genom terrängen. Slutligen kommer studieområdet i Nacka att beskrivas.
Skyfallens konsekvenser
Översvämningar till följd av skyfall kan innebära stora kostnader för samhället, främst materiella kostnader. Det kan också leda till att skred och ras utlöses och därmed utgöra en direkt fara för människors liv (Olsson et al., 2017, 7). Händelser där dödsfall inträffar till följd av översvämningar är sällsynta i Sverige men kan förekomma om exempelvis bilar fastnar i viadukter. Om vattendjupet blir stort och flödeshastigheten kraftig ökar risken för att livshotande olyckor inträffar (Boverket, 2018). Översvämningar utgör inte något problem förrän det orsakar en värdeförlust. Myndigheten för samhällsskydd och beredskap (MSB) har gjort en utredning där konsekvenserna delas in i direkta och indirekta skador respektive tangibla och intangibla skador. Tangibla skador är de som direkt kan kopplas till en kostnad medan intangibla skador inte kan mätas i pengar. Exempel anges i tabell 1, en direkt tangibel skada kan innebära fysisk skada på en byggnad medan en indirekt intangibel skada kan vara hälsoeffekter. Vidare kan en indirekt tangibel skada vara trafikstörningar och en indirekt intangibel skada vara ökad sårbarhet. (Hernebring et al., 2013, 20-23).
2
Tabell 1. Konsekvenser som kan uppkomma till följd av skyfall (Hernebring et al., 2013, 20) Tangibla Intangibla
Direkta Fysisk skada på Byggnader Infrastruktur
Förlust av liv Hälsoeffekter Ekologiska förluster
Indirekta Trafikstörningar Ökad sårbarhet Obekvämlighet
År 2002 föll ett regn som uppskattades ha en återkomsttid på 100 år över Orust, ett relativt glesbyggt område. Skadekostnaderna till följd av denna extrema nederbörd uppgick till 123 Mkr där de största kostnaderna var relaterade till skador på infrastruktur. Köpenhamn drabbades 2011 av ett kraftigt skyfall, det föll lika stor mängd som i Orust men under en betydligt kortare tid. Skyfallet ledde till översvämmade gator, hus och källare. Sjukhuset i Köpenhamn var nära att behöva evakueras då det fanns en stor risk för elavbrott. Bilister blev fast i sina bilar och blev tvungna att evakueras. Skadekostnaderna till följd av detta extrema skyfall uppskattas till 650-700 miljoner euro (Hernebring et al., 2013, 24-27).
Konsekvenserna är naturligtvis beroende av vattendjupet, det vill säga den mängd vatten som ansamlas och bildar översvämningen. Men som nämnts uppstår konsekvenserna först när det uppstår en värdeförlust. Därför är påverkan av dessa vattendjup olika beroende på var översvämningen inträffar, men följande värden kan användas som en riktlinje vid analys. Riktlinjen är att framkomligheten försvåras vid vattendjup mellan 0.1 och 0.3 meter. Vid vattendjup mellan 0.3 och 0.5 meter är det inte möjligt att ta sig fram och det är en stor risk för skada. För vattendjup större än 0.5 meter är risk för materiella skador stor samtidigt som det finns en risk för både hälsa och liv (DHI, 2016, 9).
Planera för skyfall
Under 2007 publicerades staten en klimat och sårbarhetsutredning som resulterade i en bredare medvetenhet om hur utsatt vårt samhälle är vid extrema väderhändelser. För att skapa en tålig stad krävs det att dagvattenhanteringen kommer in tidigt i planeringen. Beträffande skyfall gäller det att reservera ytor som kan översvämmas och därmed hantera de stora regnmängderna. Den största utmaningen är den befintliga bebyggelsen där ramarna redan är satta (Svenskt Vatten, 2016).
I rapporten ’Vägledning för skyfallskartering’ från MSB presenteras en arbetsplan för att strukturera processen med att skapa en stad där skyfallen kan hanteras på ett lämpligt sätt. Detta för att förmildra skyfallens konsekvenser. Den övergripliga processen visualiseras i figur 1. Det första steget är att planera arbetet och tydliggöra vad målet med utredningen är. Exempelvis kan målet vara att använda utredningen inom VA-planering, beredskapsplanering eller fysisk planering (MSB, 2017, 12-14).
Figur 1. Arbetsprocess för en skyfallstålig stad (MSB, 2017, 12)
Planera arbetet Skyfalls-kartering Konsekvens -analys Strukturplan för vatten Åtgärds-planering Beredskaps-planering Uppföljning
3
När målet är satt kan skyfallskarteringen genomföras för att få kunskap om vilka områden som översvämmas vid extrem nederbörd. Skyfallskarteringen resulterar i en karta som visar vattendjup, ytliga flöden, flödesvägar och översvämningens utbredning. Skyfallskarteringen ger endast information relaterat till utbredning och flöden men konsekvenserna blir inte kända genom endast denna vetskap. Konsekvenserna är beroende av markanvändningen i det område som översvämmas. Om det är en äng är konsekvenserna obefintliga medan om det är ett husområde kan konsekvenserna innebära skador på fastigheter. Nästa steg är därför att kombinera skyfallskarteringen med en markanvändningskarta för att få information om funktioner och verksamheter i de påverkade området. Detta kallas för att en konsekvensanalys utförs. Konsekvensanalysen kan utgöra ett underlag för en strukturplan för vatten (MSB, 2017, 12-14).
Strukturplanen för vatten utreder hur skyfall kan hanteras ur ett avrinningsområdesperspektiv. Det är inte alltid lämpligt att implementera åtgärder där konsekvenserna uppstår. Ibland kan det vara bättre att implementera åtgärder uppströms i området, vilket strukturplanen utreder (MSB, 2017, 61). När konsekvenserna utforskats och en strukturplan tagits fram kan åtgärdsplanering ta vid. I detta skede vill man hitta förebyggande åtgärder utifrån de underlag som tagits fram. Effekter av olika åtgärder kan sedan simuleras och konsekvenserna kan vägas mot kostnaden av insatsen (MSB, 2017, 12-14). Beroende på om åtgärder kommer att vidtas eller inte tar det tid innan åtgärden kan implementeras. Därför är det viktigt att utforma en beredskapsplanering för kortsiktiga åtgärder i ett akut skede. Denna plan behövs både i områden där åtgärder inte vidtas och i de områden som är väldigt utsatt i väntan på att åtgärder ska implementeras (MSB, 2017, 65). De åtgärder som genomförs behöver följas upp för kunskapsunderlag (MSB, 2017, 12-14).
Skyfallsmodellering
Skyfallskarteringen kan utföras på i princip tre olika sätt. Det första är kartering av lågpunkter där kravet på dataunderlag är litet och analysen går snabbt. Metoden ger en översiktlig bild av lågpunkter i systemet. Den andra metoden innebär en kartering av markavrinning vilket innebär att en höjdmodell (2D) sätts upp. Kravet på dataunderlag är större och modellen tar ca 2-3 veckor att sätta upp beroende på område. Den tredje metoden innebär att höjdmodellen kombineras med ledningsnätet. Detta innebär att ännu mer data är behövd och processen kan ta allt från 4 veckor eller längre (MSB, 2017, 21-29). I denna studie är det de två sistnämnda metoderna som kommer jämföras. Vid kartering av markavrinning kan modellen sättas upp i MIKE 21, denna är en ren 2D modell. MIKE Flood integrerar ledningsnätet, vilket innebär att en kopplad 1D-2D modell sättas upp. MIKE Urban är den modell som representerar ledningsnätet i 1D. Dessa modeller är framtagna av DHI och kommer beskrivas mer ingående i kommande avsnitt.
MSB rekommenderar att sätta upp en ren 2D-analys då de snabbt ger en överblick av området och mängden indata är begränsad, eftersom ledningsnätet inte behöver modelleras. Dessutom är det lämpligt då skyfall ska studeras, eftersom ledningsnätets kapacitet är begränsad jämfört med regnvolymen. Ledningsnätets betydelse minskar desto mer extrem nederbörden är. Dessutom kan 2D modellen kompletteras med en 1D modell om det skulle behövas. Ledningsnätet kan i 2D modellen representeras genom att ett schablonvärde dras bort från det applicerade regnet. Schablonvärdet ska motsvara ledningsnätets kapacitet. MSB har i en studie jämfört befintliga kopplade 1D-2D modeller med 2D modeller där ett schablonmässigt avdrag har gjorts. Regnet som applicerades hade återkomsttiden 100 år. Analysen resulterade i att 2D modellen gav en större översvämnings-utbredning och att kapaciteten underskattades i vissa områden medan det överskattades i andra. Eftersom skillnaden mellan den kopplade 1D-2D modellen och 2D modellen inte bedömdes vara stor kvarstod rekommendationen att göra en 2D analys vid en översiktlig skyfallskartering (Mårtensson et al., 2014). Det finns mycket att tänka på när en skyfallsmodell sätts upp. Till att börja med höjdmodellen som rekommenderas ha en horisontell upplösning på 2x2 meter. För stora områden kan denna upplösning bli väldigt tidskrävande. För att minska tidsåtgången kan antingen området delas upp i flera mindre modellerings områden eller upplösningen ändras till 4x4 meter. Detta beror på målet med modellen, vad resultatet ska användas till (MSB, 2017, 33-35). Många kommuner har egen laserscanning då med en upplösning på 1x1 meter eller bättre. Vidare måste man ta hänsyn till markanvändningen i området. Hårdgjorda ytor bidrar till en större ytavrinning samt att processen går snabbare. De hårdgjorda ytorna har ett litet flödemotstånd. Vägar och hustak anges som hårdgjorda inom ett område, men oftast tar man inte hänsyn till parkeringsplatser då data sällan finns tillgänglig. De kan identifieras med ortfoton men det är tidskrävande (MSB, 2017, 33-35). Anläggningen av en parkeringsplats innebär att avrinningen inte fördröjs, vilket leder till att dagvattenavrinningen ökar med cirka 10 gånger (Svenskt Vatten, 2016, 34).
4
Ledningsnätets utformning
Ledningsnätet har utformats på olika sätt under historien. Dess uppgift är att föra bort spillvatten, dagvatten och dränvatten. Under den första hälften av 1900-talet dominerade det kombinerade systemet i tätbebyggda områden och i utkanterna av städerna dominerade separatsystemet. De kombinerade systemet hanterar spillvatten, dagvatten och dränvatten i samma ledning. Vid kraftigt oväder kan dessa ledningar snabbt bli överbelastade. På senare tid har bräddavlopp installerats för att minska risken för översvämningar. Bräddningen innebär att vattnet avledds orenat direkt till recipienten och träder i kraft när en viss utspädning har nåts. Om man ser till rörgravslängden består idag 13 % av Sveriges ledningar av kombinerade system. De separata systemen innebär att dagvattnet avleds i diken och spillvatten och dränvatten avleds tillsammans i spillvattenlednigen. De kombinerade och separatsystemen är idag inte alltid renodlade eftersom de kan ha kompletterats med nya dagvattenledningar (Svenskt Vatten, 2016, 14-17).
Från 1950-talet blev dupliksystem allt vanligare. Dessa system innebär att spillvattnet och dagvattnet förs bort i separata ledningar och dränvattnet kopplas på en av dessa ledningar. Om det rena dränvattnet blandas med spillvattnet ökar belastningen på reningsverken, vilket inte är önskvärt. Samtidigt innebar det en risk för källaröversvämningar då dränvattnet kopplades på dagvattensystemet. Om trycket i ledning blev för stort pressas vattnet upp mot huset istället för att dräneras bort från det. Dagens ledningsnät utformas ungefär som dupliksystemet med skillnaden att källaröversvämningar undviks genom att dagvattenledningen kan dämmas upp till markytan (Svenskt Vatten, 2016, 14-17). Ledningsnätet för dagvattenhanteringen dimensioneras idag för att kunna hantera ett regn med en återkomsttid motsvarande 10 år. (Svenskt Vatten, 2016, 56). Kraven varierar beroende på område och en mer ingående beskrivning hittas i tabell 2. För områden utanför city som inte är instängda är rekommendationen för dagvattenledningen och kombinerad ledning 10 år till ledningshjässa (Svenskt Vatten, 2004, 18).
Tabell 2. Återkomster för regn vid dimensionering dagvattenledningar och kombinerade ledningar. *Med ej instängt område avses ett områden varifrån dagvatten ytledes kan avledas med självfall (Svenskt Vatten, 2004, 18)
Typ av område Dagvatten ledning Kombinerad ledning
Ej instängt* Område utanför
citybebyggelse 1 år 5 år
Ej instängt* Område inom
citybebyggelse 2 år 5 år
Instängt Område utanför
citybebyggelse 5 år 10 år
Instängt Område inom
citybebyggelse 10 år 10 år
Nederbörd
När det gäller skyfall talas det ofta om vilken återkomsttid regnet har. Återkomsttiden berättar hur vanlig en händelse är. Ett skyfall med en återkomsttid på 100 år har sannolikheten 1 % att inträffa varje enskilt år. Exponering av denna risk sker årligen och därför blir ackumulerade sannolikheten att det inträffar under en viss tidsperiod i enlighet med tabell 3. Sannolikheten att ett regn med återkomsttiden 100 år inträffar under en tidsperiod på 20 år är 18 %. Till vilken återkomsttid ett skyfall klassas beror på volymen och varaktigheten av regnet. Exempelvis om 30 mm faller över ett område, om regnet faller under 10 min klassas det som ett 100 års regn, men om det faller under 30 minuter klassas det som ett 20 års regn (MSB, 2017, 39-41).
5
Tabell 3. Den ackumulerade sannolikheten att ett regn med en viss återkomsttid inträffar under en 10, 20, 50 respektive 100 års period (MSB, 2017, 41). Återkomsttid Sannolikhet under 10 år 20 år 50 år 100 år 10 år 65 % 88 % 99 % 100 % 20 år 40 % 64 % 92 % 99 % 50 år 18 % 33 % 64 % 87 % 100 år 10 % 18 % 39 % 63 % 200 år 2 % 4 % 10 % 18 %
För att kunna utföra en skyfallsmodellering krävs att ett regn appliceras som randvillkor till modellen, det vill säga skyfallet. Regnet anges i modellen genom en hyetograf som anger nederbördsintensiteten över tiden. Hyetografen kan anges antingen med historiska regn eller med typregn. Vanligen får typregn sin återkomsttid genom att kopplas till en intensitets-varaktighetskurva. Viktiga egenskaper hos typregn är totalvolymen, tidförloppets utseende samt intensitetsmaximums storlek och läge (Svenskt Vatten, 2013, 25-26). Intensitets-varaktighetskurvan, figur 2, ger information om medelintensiteten för olika återkomsttider och varaktigheter men ger ingen information om regnets tidsförlopp (Svenskt Vatten, 2013, 21-22).
Figur 2. Intensitets-varaktighets diagram (Svenskt Vatten, 2016, 33)
Chicago design storm, CDS-regn är ett exempel på ett typregn (Svenskt Vatten, 2013, 25-26) som ofta används vid dimensionering av dagvattennätet i Sverige men som också är lämpligt vid skyfallskartering (MSB, 2017). Att CDS-regn kopplas till en intensitets-varaktighetskurva för att erhålla maximala medelintensiteten är en viktig egenskap. Detta för att intensitets-varaktighetskurvor finns tillgängliga på många platser i Sverige. Det innebär att endast avrinningsberäkningar behöver göras för de återkomsttider som ska beräknas då alla varaktigheter är inkluderat i regnet. För beräkning av CDS-regn rekommenderas Dahlströms nya formel, ekvation 1. Ekvationen gäller för svenska förhållanden och regnvaraktigheter upp till ett dygn. När ett CDS-regn tas fram måste återkomsttid, intensitetsmaximums läge och varaktighet anges. Figur 3 visar ett CDS regn med återkomsttiden 100 år, intensitetsmaximum läge 0.37 och varaktighet 6 timmar (Svenskt Vatten, 2013, 24-26).
𝑖 = 190 ∙ √Å
3∙
𝑙𝑛(𝑇𝑅)𝑇𝑅0.98
∙ 2
(1)𝑖 – regnintensitet [l/s, ha] 𝑇𝑅 – regnvaraktighet [min]
6
Figur 3. CDS-regn med återkomsttiden 100 år, intensitetsmaximum läge 0.37 och varaktighet 6 timmar
Figur 3 visar att CDS-regnet är onaturligt spetsigt vid intensitetsmax. Dess läge har av olika forskare funnits variera mellan 0.32 och 0.48. Förregnet är viktigt att inkludera och därför måste varaktigheten på regnet vara tillräckligt långt. Den spetsiga formen och att intensitets-varaktighetskurvan kopplas till data från olika historiska regn är två nackdelar med CDS-regn. Detta för att CDS-regnet kan få en längre återkomsttid (Svenskt Vatten, 2013, 25-26).
Avrinningsområdets egenskaper
Städer runt om i världen har blivit mer utsatta för översvämningar. Anledningen till den ökade risken är dels urbaniseringen men också klimatförändringar. Urbaniseringen leder till en större andel hårdgjorda ytor i städerna vilket gör dem mer utsatta och sårbara vid extrema regn (Skougaard Kaspersen et al., 2017). De hydrologiska effekterna av urbaniseringen blir en ökad ytavrinning i både intensitet och volym. Dessutom reduceras infiltrationen och grundvattennivån sänks. Detta leder till snabba avrinningsförlopp på grund av den stora andelen hårdgjorda ytor (Hernebring et al., 2013, 15). Markanvändningen är en viktig del av modelleringen, då de ger information angående hur stor del av ytorna som är hårdgjorda. Hårdgjorda ytor som vägar har ett lågt flödesmotstånd medan naturmarksområden har ett högre flödesmotstånd. Mannings tal är en parameter som beskriver flödesmotståndet, det vill säga markens råhet. (MSB, 2017, 34).
Avrinningens storlek beror på flera faktorer, till att börja med avrinningsområdets form, bebyggelsens utformning, nederbördens intensitet, lutningsförhållanden och markytans egenskaper (Svenskt Vatten, 2016, 74). Vid beräkning av dimensionerande dagvattenflöden, vilket sker genom en uppskattning av avrinningens storlek kan rationella metoden används enligt ekvation 2. Där koncentrationstiden är den tid som regnet tar på sig att transporteras från den mest avlägsna punkten i avrinningsområdet till utloppet. Avrinningskoefficienten uttrycker hur stor andel av avrinningsområdet som bidrar till avrinningen, vilket i sin tur beror på områdets lutning och exploateringsgrad samt regnintensitet (Svenskt Vatten, 2016).
𝑄 = 𝐴 ∙ 𝜑 ∙ 𝑖(𝑡𝑟) ∙ 𝐾𝑓 (2)
𝑄 – avrinningshastighet [l/s] 𝐴 – avrinningsområdets area [ha] 𝜑 – avrinningskoefficient
𝑖 – nederbördintensitet [l/s ha]
𝑡𝑟– regnets varaktighet som är lika med områdets koncentrationstid [min]
7
Markytans egenskaper är bland annat kopplade till infiltrationsförmågan. Infiltrationen är den mängden av nederbörden som migrerar ned i marken. Mängden vatten som infiltrerar är beroende av jordart, topografi, vattenmättnaden i marken och nederbörden (Skougaard Kaspersen et al., 2017). Vägar och hustak är impermeabla, vilket innebär att ingen nederbörd infiltrerar utan allt blir till ytavrinning. Lera som har en låg hydraulisk konduktivitet är nästan helt impermeabelt. Sand och grus med högre hydraulisk konduktivitet har mycket högre infiltrationskapacitet. Eftersom skyfall är vanligast under sommarmånaderna, då grundvattennivån normalt är låg, finns det oftast magasineringskapacitet i de översta jordlagren. Därför kan sand och grus släppa igenom stora regnmängder innan marken mättas (MSB, 2017, 35).
Områdesbeskrivning
Fokusområdet är Vikdalsvägen i Nacka. I detta område blandas bebyggelse med skog och öppna fält enligt figur 4. Bebyggelsen består av villor, lägenhetshus samt av Nacka Forum, en större handelsplats. Genom området går Värmdöleden som är en viktig förbindelse mellan centrala Stockholm och Nacka samt Värmdö. Regnet som faller över Vikdalsvägen avrinner till Östersjön, vilket är sjön som är synlig i det övre vänstra hörnet.
Figur 4. Området i Nacka, Vikdalsvägen och Värmdöleden.
Syfte och frågeställning
Syftet är utföra en komparativ studie av skyfallsmodellerna MIKE 21 med MIKE Flood, där betydelsen av att integrera dagvattenledningsnätet ska undersökas samt hur olika belastningar på ledningsnätet påverkar resultatet.
i) Hur skiljer sig resultaten från MIKE 21 och MIKE Flood vid applicering av ett 50 respektive 100 års skyfall för ett område i Nacka om
a. ledningsnätet antas vara underdimensionerat (5 år)
b. ledningsnätet antas vara dimensionerat enligt dagens standard (10 år) c. ledningsnätet antas vara överdimensionerat (20 år)
8
Material och metod
Denna komparativa studie bygger på att modellerna MIKE 21 och MIKE Flood sätts upp för samma område. I detta avsnitt beskrivs modellerna MIKE Urban, MIKE 21 och MIKE Flood. Vidare redovisas hur de satts upp och bearbetning av underlagsdata. Sedan redogörs generering av regnet som appliceras på modellerna och vilka scenarier som simuleras. Avslutningsvis hur analysen av resultatet utförs.
MIKE Urban
MIKE Urban är en GIS baserad modell som kan användas vid modellering och dimensionering av ledningsnätet för spill- och dagvatten samt för distributionsnätet av vatten (DHI, 2017a, 17-18). Modellen är utformad för alla typer av spill- och dagvattensystem. Beräkningarna kan appliceras för både öppna och trycksatta flöden (DHI, 2017a, 21-25). När en modell ska sättas upp i MIKE Urban är det första steget att definiera ledningsnätet. Ledningsnätet består bland annat av brunnar, ledningar, kanaler och dagvatteninlopp (DHI, 2017b).
När ledningsnätet sätts upp i modellen bildas samtidigt ett beräkningsnät som består av en sekvens av och Q-punkter. Dessa punkter sammanbinder alla noder och varje nod knyter samman med en h-punkt, vilket innebär att det alltid kommer vara ett ojämnt antal beräkningspunkter mellan noderna vilket visualiseras i figur 5. I dessa h- och Q-punkter beräknas vattennivån och vatten flödet vid varje tidssteg. Noderna kommer endast vara en beräkningspunkt där vattennivån H beräknas, dessa är vanligtvis brunnar (DHI, 2017b, 19-22).
Figur 5. Beräkningsnätet (DHI, 2017c, 20)
Simulering av vattennivåer och vattenflöden bygger på att St. Venants ekvationer löses för hela ledningsnätet (DHI, 2017a, 21). För beräkningar med St. Venants ekvationer måste följande antaganden göras. Till att börja med att vattnet är homogent och icke komprimerbart, vilket innebär att densiteten kan antas konstant under hela beräkningen. Lutningen på röret eller kanalen där vattnet flödar måste vara litet och flödet ska vara i subkritiskt tillstånd. Vidare antas att flödet är parallellt med botten. St. Venants ekvationer bygger på bevaring av massa enligt ekvation 3 och bevaring av moment enligt ekvation 4 (DHI, 2017c, 51-53). 𝜕𝑄 𝜕𝑥
+
𝜕𝐴 𝜕𝑡= 0
(3) 𝜕𝑄 𝜕𝑡+
𝜕(𝛼𝑄2 𝐴) 𝜕𝑥+ 𝑔𝐴
𝜕𝑦 𝜕𝑥= 𝑔𝐴(𝑆
0− 𝑆
𝑓)
(4) 𝑄- flöde [m3/s] 𝐴 - area [m2] 𝑦 – vattendjupet [m] 𝑔 – Gravitationskonstant [m/s2] 𝑥 – avståndte i flödesriktningen [m] 𝑡 – tid [s] 𝛼 – hastighetsfördelnings koefficient 𝑆0 – botten lutning 𝑆𝑓 – friktions lutningDe ekvationer som är angivna ovan är giltiga för öppna flöden, som alltså inte är under tryck. Om vattendjupet i röret börjar närma sig rörets kapacitet så kommer flödesförhållandet ändras eftersom det blir trycksatt då röret är fullt och ledningshjässan hos röret är nådd. Alla antaganden för St. Venants ekvationer är inte längre giltiga, eftersom flödet nu är trycksatt. St. Venant kan generaliseras för att gälla flöden i rör som är under tryck. Detta genom att introducera en fiktiv yta som är ledig i toppen av röret (DHI, 2017c, 54).
9
För att sedan utföra simuleringar måste ett regn appliceras. Beräkningarna i MIKE Urban sker i två steg. Till att börja med beräknas avrinningen med en av de hydrologiska modeller som finns tillgänglig, exempelvis tid-area metoden. När avrinningen är känd belastas ledningsnätet med den beräknade avrinningen. Simuleringar resulterar i att flödet och vattennivåer beräknas för ledningar och brunnar (DHI, 2017b).
MIKE 21
MIKE 21 utformades för att modellera ytliga flöden i 2D vid kust områden, sjöar, bukter och flodmynningar. I denna studie kommer modellen appliceras i en urban miljö. Det finns en del av MIKE 21 som har utformats för just inlands miljö, MIKE 21 flood screening tool (MIKE 21 FST). Den bygger på MIKE 21 men använder sig av enklare ekvationer (DHI, 2017d).
De parametrar som är grundläggande i MIKE 21 är höjdmodellen, simulationsperioden och ’flood and
dry’. Höjdmodellen är det viktigaste steget i modelleringsprocessen. Den ska beskriva hela
modelleringsaren där tunnlar, broar, hus och vägar måste tas in i beaktande. MIKE 21 bygger på en finit differens metod med konstant cell storlek i x- och y-riktning vilket innebär att modelleringsarean är rektangulär. Vidare kan simulationsperioden exempelvis sammanfalla med ett regnförlopp eller tidvågornas variation under ett dygn. Det är beroende på vad syftet med modelleringen är. ’Flood and
dry’ är parametrar som definierar när en cells ska ingå i beräkningarna och när den ska exkluderas. När
cellen blir torr, nås ’drying depth’ och då tas cellen ut ur beräkningarna och när cellen når ’flooding
depth’ sätts den in i beräkningarna igen (DHI, 2017d).
MIKE 21 beräknar vattenflödet och vattennivån genom två ekvationer som bygger på bevaring av massa och moment som integreras över höjden, ekvation 5. Ekvation 6 och ekvation 7 har integrerats över höjden. Dessa är de enklare ekvationerna som appliceras i MIKE 21 FST (DHI, 2017e).
𝜕𝛿 𝜕𝑡
+
𝜕𝑝 𝜕𝑥+
𝜕𝑞 𝜕𝑦=
𝜕𝑑 𝜕𝑡 (5) 𝜕𝑝 𝜕𝑡+ 𝑔ℎ
𝜕𝛿 𝜕𝑥+
𝑔𝑝√𝑝2+𝑞2 𝑐2ℎ2= 0
(6) 𝜕𝑞 𝜕𝑡+ 𝑔ℎ
𝜕𝛿 𝜕𝑦+
𝑔𝑞√𝑝2+𝑞2 𝑐2ℎ2= 0
(7) 𝛿(𝑥, 𝑦, 𝑧) = höjdnivån [m]𝑝, 𝑞(𝑥, 𝑦, 𝑧) = flödesdensitet i x- och y-riktning [m3/s/m]
𝑑(𝑥, 𝑦, 𝑧) = tidsvarierande vattendjup [m] ℎ(𝑥, 𝑦, 𝑡) = vattendjup[m]
𝑔 = gravitationsaccelerationen [m/s2]
𝑐 = chezy flödesmotståndstal [m1/2/s]
Schablonavdraget som representerar ledningsnätet
Ledningssystemet integreras inte i en ren 2D modell. För att ta hänsyn till ledningsnätet kan det representeras genom att ett schablonvärde dras bort från regnvolymen. Schablonvärdet ska korrespondera mot den del av regnet som kan hanteras av ledningsnätet. Avdraget görs endast för de ytorna om är anslutna till ledningsnätet (MSB, 2017, 36-37).
MIKE Flood
MIKE Flood är en modell som integrerar flera MIKE modeller genom att länka dem. Vid en skyfallsmodellering i urbana områden är det MIKE 21 och MIKE Urban som ska länkas. MIKE 21 representerar topografin i området medan MIKE Urban representerar ledningsnätet. Dessa två modeller länkas i MIKE Flood med den urbana länken (DHI, 2017f). Kopplingen mellan 1D och 2D modellen definieras genom att välja de komponenter av ledningssystemet som ska kopplas, vilka kan vara brunnar. Sedan bestäms vilken ekvation som ska appliceras för att beräkna utbytet mellan ledningsnätet och 2D modellen (DHI, 2017b). Det finns tre ekvationer som kan appliceras nämligen
’orifice’, ’weir’ eller en exponentiell funktion. ’Orifice’ ekvationen beskriver flödet mellan MIKE 21 och
10
𝑄𝑈𝑀21= 𝑠𝑖𝑔𝑛(𝐻𝑈− 𝐻𝑀21)𝐶𝐷min (𝐴𝑚, 𝐴𝐼)√2𝑔|𝐻𝑈− 𝐻𝑀21| (8)
𝑄𝑈𝑀21– flöde från ledningsnätet till MIKE 21 kopplings cell
𝐻𝑈– vattennivån i ledningsnätet
𝐻𝑀21 – markytans genomsnittliga vattennivå
𝐴𝑚– tvärsektionsarea brunn
𝐴𝐼 – tvärsektionsarea brunnsöppning
𝐶𝐷– flödeskoefficient (vanligen 1)
Underlagsdata
För att bygga upp modellerna i MIKE 21 och MIKE Flood krävs underlagsdata. MIKE Urban modellen finns uppbyggd för Nacka och tillhandahålls från Tyréns. MIKE Urban modellen var uppsatt för ett stort område i Nacka och klipptes ner för att bara omfatta Vikdalsvägen samt de delar av ledningsnätet som anknöt ditt, vilket resulterade i området i figur 6. Därefter sattes MIKE 21 modellen upp för att sedan länkas med MIKE Urban i MIKE Flood.
Figur 6. MIKE Urban, den del av området som är kopplat till ledningsnätet
Tyréns tillhandahöll även höjddata, en DEM (Digital Elevation Modell) med upplösningen 1x1 meter. Höjdmodellen behöver redigeras för tunnlar och broar, för att undvika att vattnet ansamlas i sänkor som egentligen inte existerar. Dessutom ska höjdmodellen redigeras för hus. Dessa ska höjas upp, för att se till så att vattnet inte flödar över husen i modellen. Vidare behöver markens flödesmotstånd bestämmas, det vill säga Mannings tal för olika ytor. I denna studie är dessa ytor hus, vägar och naturmark. Data är tillgänglig hos lantmäteriet som levererar en fastighetskarta och en kommunikationskarta. Tabell 4 presenterar all underlagsdata samt var ifrån de tillhandahölls. SCALGO är ett online verktyg med lågpunktskartering som baseras på lantmäteriets terrängmodell som har upplösningen 2x2 meter. Verktyget kan nyttjas för att undersöka bland annat avrinningsområden och avrinningsvägar, vilket är den väg vattnet transporteras då sänkor fyllts upp.
Tabell 4. Underlagsdata
Attribut Format Källa
Höjddata Raster, 1x1 meter Tyréns Fastighetskarta Vektor (polygon) Lantmäteriet Kommunikationskarta Vektor (linje) Lantmäteriet Avrinningsområden Vektor (polygon) SCALGO MIKE Urban modell .mdb (MIKE URBAN Database) Tyréns
11
Bearbetning av data
Nedan kommer en närmare beskrivning av bearbetningen av höjdmodellen och Mannings tal. Höjdmodellen har koordinatsystem SWEREF99 18 00 medan data som hämtas från lantmäteriet har referensystemet SWEREF99 TM. Höjdsystemet är RH2000. Innan bearbetningen börjar måste allt dataunderlag vara i samma referensystem. SWEREF99 18 00 är det som kommer användas i denna studie, vilket är det lokala koordinatsystemet för Stockholm. Bearbetningen utförs i ArcGIS.
Höjdmodell
Fastighetskartan från Lantmäteriet är i vektorformat och omvandlas till ett raster. Husen höjs upp med 2 meter. När detta är gjort förs höjdmodellen in i MIKE 21 för att korrigeras för tunnlar och broar. Lokaliseringen av broar och tunnlar undersöks med hjälp av ortofoto. I figur 4 är det synligt att minst 2 broar korsar Värmdöleden. Vid dessa platser undersöks läget av marknivån på bägge sidor av bron med hjälp av ’3D analyst’ i ArcGIS. Sedan sänks bron ned så att vattnet kan flöda där i modellen, för att efterlikna vattenflödet i verkligheten.
Vidare klipps modellen för att innefatta det avrinningsområde som berör Vikdalsvägen. Detta analyseras med hjälp av verktyget SCALGO. Till följd av att ledningsnätet, som är sammanbundet med Vikdalsvägen, sträcker sig utanför det hydrologiska avrinningsområdet måste även vissa mindre angränsande avrinningsområden tas med i modellen. Resultatet kan ses i figur 7.
Figur 7. Bearbetad höjdmodell
Markens råhet
Desto högre tal en yta har ju snabbare rinner vattnet av. Hus och vägar anges som hårdgjorda, där rinner vattnet av snabbt. På naturmark fördröjs avrinningen på grund av växtligheten och den går därmed långsammare. För att ta fram dataunderlag behövdes information om hus och vägar. Marken runt omkring anses vara naturmark.
Till att börja med måste vägarna buffras, eftersom de levereras som linjevektorer. Vägarna antas vara 4 meter breda, samma bredd antas över hela området. När vägarna buffrats omvandlas de till raster. Då både husen och vägarna är i rasterformat sammanfogas de till en gemensam rasterfil. När detta görs ska det raster som bildas se till att täcka samma område som höjdmodellen och ha samma cellstorlek. När väl ett raster finns som skiljer på vägar, hus och naturmark kan Mannings nummer anges i enlighet med tabell 5. Vägar och hus kan ibland överlappa och detta måste tas hänsyn till så att alla celler får korrekt flödesmotstånd. De områden som överlappar anses tillhöra vägen och ges ett flödesmotstånd på 50. Detta resulterar i figur 8.
12
Tabell 5. Mannings tal
Yta Manning [m1/3/s]
Öppen mark/skogsmark 2
Vägar 50
Bebyggelse (hus) 40
Figur 8. Raster som representerar flödesmotståndet, Mannings tal
Nederbörd
Skyfallet appliceras på modellen som en hyetograf. Denna genereras som ett CDS-regn med Dahlströms nya formel. Då varaktigheten på regnet ska bestämmas måste avrinningsområdets koncentrationstid tas i beaktande, eftersom varaktigheten bör vara längre än koncentrationstiden så att vattnet hinner transporteras till utloppet. Koncentrationstiden kan uppskattas genom att mäta den längsta sträckan som vattnet transporteras på mark samt i ledningsnätet. Hastigheten på markytan antas vara 0.1 m/s och i ledningen 1.5 m/s enligt P110 (Svenskt Vatten, 2016). Med hjälp av SCALGO kan längsta rinnsträckan i området hittas. Den längsta sträckan vattnet transporteras i Nacka är ungefär 1000 meter på land. Detta resulterar i en koncentrationstid på ungefär 2 timmar och 40 minuter.
Varaktigheten på regnet väljs till 6 timmar, tidssteget är 5 min, det centrala blocket där intensitetsmaximum inträffar är 10 min långt och r-parametern är 0.37. Det genereras 5 olika regn med dessa parametrar som grund, ett 100, 50, 20, 10 och 5 års regn, vilka finns i Bilaga A. De genererade regnen används för sex olika scenarier enligt tabell 6. Dessa sex scenarier körs i MIKE 21 och MIKE Flood vilket resulterar i 12 simuleringar. För skyfallen testas två olika återkomsttider, 100 år respektive 50 år och för dagvattenledningsnätet tre olika belastningar på 20, 10 och 5 år. I MIKE 21 dras ett schablonvärde bort för att representera ledningsnätet och i MIKE Flood belastas ledningsnätet istället i MIKE Urban.
Tabell 6. Olika scenarier
Belastningen på
dagvattenledningsnätet 100 år Skyfallen 50 år
5 år Scenario 1 Scenario 4
10 år Scenario 2 Scenario 5
13
För MIKE 21 modellen kommer två regn att appliceras. Detta innebär att MIKE 21 kommer belastas med ett typ 2 regn, vilket betyder att regnintensiteten varierar över området. Figur 9 visar var dessa regn kommer appliceras. Den gråa ytan, område 1, är utanför modelleringsområdet och där kommer inget regn att appliceras. Område 2 är inte kopplad till ledningsnätet. Där kommer hela skyfallet, 100 års eller 50 års skyfall, att appliceras efter att hänsyn till infiltration tagits. Infiltrationen representeras genom att ett schablonvärde dras bort från regnets storlek. Detta regn kommer benämnas som naturmarksavrinningen, en mer ingående beskrivning kommer. Område 3 är kopplat till ledningsnätet. Här kommer MIKE 21 modellen belastas med ett skyfall där ett schablonavdrag gjorts, avdraget representerar ledningsnätet. MIKE Flood modellen kommer belastas med tre olika regn. De regn som applicerades i MIKE 21 modellen samt det regn som kommer belasta ledningsnätet i MIKE Urban. Den del av skyfallet som dras bort, schablonavdraget, är den del som belastar MIKE Urban modellen.
Figur 9. Fördelning av regnet i modellen.
Det regn där schablonavdraget för ledningsnätet görs, ska appliceras på de ytor i MIKE 21 som är kopplade till ledningsnätet, område 3. Hyetografen som ska appliceras på den delen av modellen beräknas genom att dra bort den mängd som kan tas upp av ledningsnätet. Om ledningsnätet är dimensionerat för att klara av ett 20 års regn så är den maximala kapaciteteten som kan hanteras toppen av 20 årsregnet, enligt figur 10. Detta innebär att den del som är ovan den maximala kapaciteten är den mängd som kommer appliceras på MIKE 21. Den mängden av 100 årsregnet, som är under den maximala kapaciteten är den del av regnet som kommer belasta MIKE Urban. Resultatet redovisas i Bilaga B.
Figur 10. Genererade 100 års och 20 års CDS-regn, där den maximala kapaciteten (orangea linjen) som ledningsnätet kan hantera motsvarar ett 20 års regn.
14
Det regn som ska belasta den del av MIKE 21 som inte är kopplat till ledningsnätet är för de naturmarksområden som angränsar till området. På naturmark kan en viss mängd av regnet infiltrera. Denna infiltration kan också representeras med ett schablonvärde i likhet med ledningsnätet. Istället för att beräkna hur stor mängd som kan infiltrera beräknas storleken på avrinningen från naturmark. Den mängd som inte avrinner kan då antas infiltrera i marken. Hyetografen, som ska appliceras på modellen, beräknas som avrinningen för naturmarksområdet. Avrinningen beräknas med ekvation 2. Avrinningskoefficienten för området kan bestämmas i enlighet med tabell 7. Vid kraftiga skyfall måste avrinningskoefficienten för naturmark korrigeras då avrinningen ökar vid mer extrema skyfall. För ett skyfall med en återkomsttid på 100 år måste avrinningskoefficienten för naturmark multipliceras med en faktor 3 och vid 50 års regn med 2.3 (Svenskt Vatten, 2016, 70). Avrinningskoefficienten är 0.3 för 100 årsregnet och 0.23 för 50 årsregnet. Nederbörden för naturmarksavrinning finns i Bilaga C.
Tabell 7. Avrinningskoefficienter för olika typer av ytor vid kortvariga regn (Svenskt Vatten, 2016, 68)
Typ av yta Avrinningskoefficient
Betong- och asfaltsyta, berg i dagen i stark lutning 0.8 Grusplan och grusad gång, obebyggd kvartersmark 0.2 Ängsmark, gräsyta m.m. 0-0.1
Övriga parametrar
Kopplingen mellan MIKE 21 och MIKE Urban placeras vid noderna och ’orifice’ ekvationen appliceras för att beskriva utbytet mellan modellerna. Visa noder uppströms täcks inte av höjdmodellen, så dessa noder kan inte kopplas till modellen. Andra parametrar, som måste anges, är ’flood and dry’ vilket anges som 0.003 respektive 0.002. Simulationsperioden ska också anges. Simulationen sammanfaller med regnet, som varar under 6 timmar. Tidssteget som används i simuleringen är 1 sekund. Avrinningen som ska belasta ledningsnätet i MIKE Urban beräknas med tid-area metoden.
Analys
Simuleringarna resulterar i en karta som visar det maximala vattendjupet i området. Denna karta kommer behandlas för att visa hur stor skillnaden i genererat vattendjup är mellan modellerna samt hur översvämningsutbredningen skiljer sig åt. Till att börja med bearbetas resultatfilerna att endast innehålla vattendjup över 0.1 meter och exkluderar Östersjön, det vill säga det vatten som ansamlats i Östersjön. Det är endast det vatten som ansamlats på land som är av intresse i jämförelsen av de två modellerna. Vidare kommer analysen ske inom det område som är kopplat till ledningsnätet. Detta resulterar i en grundfil som används i den fortsatta analysen.
Vattendjup
I introduktionen redogjordes riktlinjer för vattendjupet, utifrån dessa riktlinjer skapas ett raster i enlighet med tabell 8. Rastret visar vilka områden som är sårbara samt exakt antal celler som finns inom varje kategori. Antal celler inom varje kategori kan sedan användas för att jämföra modellerna MIKE 21 och MIKE Flood.
Tabell 8. Kategorier för alstrade vattendjup
Raster nummer Vattendjup Risk för samhället
1 0.1-0.3 framkomligheten försvåras
2 0.3-0.5 inte möjligt att ta sig fram och stor risk för skada 3 >0.5 risk för materiella skador samt hälsa och liv
15
Modellernas utbredning
För att visualisera var skillnaderna mellan modellerna MIKE 21 och MIKE Flood uppstår skapas ett raster där differensen mellan översvämningsutbredningarna synliggörs. I rastret tas också hänsyn till var differensen mellan modellerna är större än 0.1 meter. Om differensen är mindre än 0.1 meter antas modellerna ge likvärdiga resultat. Rastret skapas i enlighet med tabell 9. Resultatet är en karta som visar var modellerna ger likvärdigt resultat, var MIKE Flood har en större utbredning och var MIKE 21 har en större utbredning.
Tabell 9. Kategorier för analys av modellernas matchning
Raster nummer Betydelse
1 översvämmat i bägge och differensen modellerna emellan är mindre än 0.1 m 2 vattendjupet är minst 0.1 m högre i MIKE Flood än MIKE 21
3 vattendjupet är minst 0.1 m högre i MIKE 21 än MIKE Flood
Utifrån denna karta kan ett index beräknas över hur bra modellerna överensstämmer med varandra för de olika scenarierna. Detta index beräknas med ekvation 9. Normalt används denna metod då det finns observerade värden som jämförs med modellerade värden (Hailemariam et al., 2014). Här används den för att jämföra modellerade värden från två olika modeller. Indexet ger svar på hur väl modellerna MIKE 21 och MIKE Flood överensstämmer med varandra i de olika scenarierna.
𝐹 =
𝐴𝑠𝑜𝐴𝑠+𝐴𝑜−𝐴𝑠𝑜
∙ 100
(9)𝐹
– ’Measure of fit’𝐴
𝑠𝑜–
de celler som är översvämmad i båda modellerna𝐴
𝑠–
den simulerade översvämnings utbredning i MIKE 21𝐴
𝑜–
den simulerade översvämnings utbredning i MIKE FloodUtbytet mellan MIKE 21 och MIKE Urban
Eftersom ’orifice’ ekvationen styr utbytet mellan MIKE 21 och MIKE Urban undersöks hur stort detta utbyte är i olika kritiska noder, där skillnaderna mellan modellerna anses vara stora. Detta kan ge information till varför eventuella skillnader uppstår mellan MIKE 21 och MIKE Flood. Utbytet mellan MIKE 21 och MIKE Urban kan undersökas genom ledningsnätsprofiler och tidsserier. Dessa tidsserier innehåller information om bland annat vattennivån i noder och flödet mellan modellerna.
I MIKE Urban finns möjligheten att beräkna parametrar som översvämningen i noder och trycket i ledningarna. Översvämningen i noderna beräknas genom att vattennivån i noden extraheras med markytans nivå. Genom att beräkna den maximala vattennivån som uppstår i noderna fås information om vilka noder som någon gång under simuleringen översvämmas. Vidare kan trycket i ledningarna beräknas genom att ta vattendjupet i ledningen dividerat med ledningens diameter. Om ledningen är trycksatt överstiger kvoten 1. Det vill säga att vattennivån i ledningen når ledningshjässan. Dessa parametrar kan visualiseras i en karta.
16
Resultat och diskussion
Tabell 6 presenterade de scenarier som analyseras. Till att börja med undersöks skillnaden i genererat vattendjup och översvämningsutbredning. Vidare studeras utbytet mellan MIKE 21 och MIKE Urban i MIKE Flood. Avslutningsvis presenteras osäkerheter med modelleringen.
Vattendjup
Till att börja med producerades kartor där det genererade vattendjupet delades in i tre kategorier, enligt beskrivningen i metoden. Figur 11 och 12 visar vilka områden som är översvämmade i scenario 1. Områden som producerar ett vattendjup som är större än 0.5 meter är lokaliserade längst Värmdöleden, för båda modellerna. Det finns också mindre områden längst Vikdalsvägen där ett vattendjup över 0.5 meter ansamlas. Scenario 1 är det scenario med flest översvämmade celler och också störst vattendjup, kartor för resterande scenarier finns i Bilaga D. För scenario 2 till 6 ansamlas de stora vattenmängderna på samma plats som för scenario 1. Dessa områden minskar i storlek från scenario 1 till scenario 6.
Figur 11. Vattendjup i MIKE Flood för scenario 1
17
Figur 13 jämför vattendjupet i MIKE 21 och MIKE Flood för scenario 1 till 3. Figuren visar att antalet översvämmade celler minskar från scenario 1 till 3 och att antal översvämmade celler är fler i MIKE Flood för scenario 2 och 3. Liknande mönster finns i figur 14 för scenario 4 till 6. Antalet översvämmade celler är fler i MIKE Flood jämfört med MIKE 21 för scenario 4 till 6.
Figur 13. Genererade vattendjup i Scenario 1 till 3 för MIKE 21 (M21) och MIKE Flood (MF)
Figur 14. Genererade vattendjup i Scenario 4 till 6 för MIKE 21 (M21) och MIKE Flood (MF)
Figur 13 och 14 visar att antalet översvämmade celler minskar med att belastningen på ledningsnätet ökar. I MIKE 21 modellen är det naturligt att antalet översvämmade celler minskar med ett ökat schablonavdrag som representerar ledningsnätet då det resulterar i en mindre belastning på modellen. För MIKE Flood modellen är belastningen densamma, det är endast fördelningen som ändras. Dock beräknas avrinningen med hjälp av tid-area metoden innan den kopplas till ledningsnätet vilket leder till att den totala belastningen på MIKE Flood kan bli mindre. Det visar på att vattendjup och översvämningsutbredning kan underskattas om ledningsnätets kapacitet antas vara hög. Samtidigt ser man också att differensen i antalet översvämmade celler mellan scenario 1 till 3 och scenario 4 till 6 är mindre för MIKE Flood än för MIKE 21. Vilket indikerar att valet av schablonvärde är av stor vikt för 2D modellen.
18
Figur 15 visar på den exakta differensen i antal celler som tillhör varje kategori. Scenario 1 producerar fler celler i varje kategori för MIKE 21 än vad MIKE Flood gör. För de resterande scenerierna där antalet översvämmade celler är fler i MIKE Flood är det tydligt att den största differensen uppstår i kategori 1 alltså för vattendjup som är mellan 0.1 till 0.3 meter. För scenario 2 finns det fler översvämmade celler inom kategori 3 för MIKE 21 trots att MIKE Flood sammantaget har fler översvämmade celler. Förmodligen är detta till följd av att det finns en sänka med stora vattenansamlingar i MIKE 21. Samtidigt som vissa områden längs ledningsnätet börjar översvämmas i MIKE Flood vilket kan generera vattendjup inom kategori 1.
Figur 15. Skillnaden i genererade vattendjup mellan MIKE 21 och MIKE Flood för varje scenario
Modellernas utbredning
Vidare analyserades skillnaden i översvämningsutbredning för MIKE 21 och MIKE Flood. Nämligen var differensen mellan vattendjupen blev större än 0.1 meter. Figur 16 till 21 visar var skillnaderna uppstår. Figur 16, scenario 1, visar att det finns många celler i MIKE 21 som har ett större vattendjup än 0.1 meter jämfört med MIKE Flood. Dessa områden är framförallt lokaliserade uppströms. De röda områdena är få men är smått synliga nedströms längs ledningsnätet på Vikdalsvägen, samt längst Skönviksvägen. Där verkar inte ledningsnätet ha en kapacitet att avleda ett 5 års regn.
19
För scenario 2, figur 17, är det synligt att antalet röda celler har ökat. De röda områdena har framförallt ökat längst Vikdalsvägen, nedströms i ledningsnätet. De har också ökat längst Skönviksvägen. Samtidigt har också antalet orangea celler minskat, de har övergått till blå vilket innebär att differensen mellan modellerna är mindre än 0.1 meter i dessa celler nu.
Figur 17. Skillnaden i översvämningsutbredning för MIKE 21 och MIKE Flood i scenario 2
Figur 18, visar scenario 3 och här har antalet röda celler ökat längst Vikdalsvägen, Skönviksvägen och i en sänka mellan Skönviksvägen och Värmdöleden. Antalet orangea celler har minskat och övergått i blått. I Scenario 1 var de flesta celler nedströms i ledningsnätet blåa medan de flesta celler nu i scenario 3 är röda. Observera att totala antalet översvämmade celler också minskat från scenario 1 till 3.
20
Scenario 1 och Scenario 4 har en ungefär lika stor belastning på MIKE Urban men belastningen på MIKE 21 är självklart mindre eftersom scenario 4 till 6 är scenarion där översvämningar till följd av ett 50 årsskyfall undersöks. Detta resulterar självklart i en mindre helhetsbelastning på både MIKE 21 och MIKE Flood. Figur 19 visar att röda celler finns nedströms längs Vikdalsvägen, längs ledningsnätet i Skönviksvägen och i en sänka mellan Skönviksvägen och Värmdöleden. Det finns områden med orangea celler inom området, dessa är lokaliserade på samma plats som i scenario 1 till 3.
Figur 19. Skillnaden i översvämningsutbredning för MIKE 21 och MIKE Flood i scenario 4
Figur 20, visar scenario 5 och i detta scenario har antalet röda celler ökat jämfört med scenario 4. Men det är främst antalet blåa celler som minskat. Det visar alltså på att det totala antalet översvämmade celler har minskat. Samtidigt som differenserna mellan modellerna fortfarande är större än 0.1 meter längs Vikdalsvägen och Skönviksvägen.
21
I scenario 6, figur 21, är de flesta celler röda och antalet blå celler är få. Det innebär att MIKE Flood generar ett vattendjup som är mer än 0.1 meter djupare jämfört med MIKE 21 över större delen av modelleringsområdet. Antalet orangea celler är så få att de inte är synliga i kartan.
Figur 21. Skillnaden i översvämningsutbredning för MIKE 21 och MIKE Flood i scenario 6
Sammanfattningsvis visar figur 16 till 21 att översvämningsutbredningen är större längs dagvattenledningsnätet i MIKE Flood, framförallt nedströms i systemet. Skillnader finns också uppströms, i MIKE 21 modellen ansamlas mer vatten i sänkor och i MIKE Flood finns det områden som har en större utbredning längs vissa sträckor av ledningsnätet. Längs Vikdalsvägen och Skönviksvägen tyder det på att ledningen inte har kapacitet att avleda ett 5 års regn.
För att göra en närmare analys för hur väl MIKE 21 och MIKE Flood överensstämmer med varandra beräknades indexet ’measure of fit’, se tabell 11. Det visar att MIKE Flood och MIKE 21 överensstämmer bättre i scenario 1 till 3 som belastats med 100 årsskyfallet än i scenario 4 till 6. Med en större total regnbelastning är det naturligt att fler celler kommer överlappa eftersom mer vatten ansamlas i modellen. Indexet visar också på att MIKE Flood och MIKE 21 matchar varandra bättre i scenario 1 och scenario 4 jämfört med de scenarier som belastas med samma storlek på skyfallet. Indexet minskar med en högre belastning på ledningsnätet i MIKE Urban och ett större schablonavdrag i MIKE 21.
Tabell 11. MIKE 21 och MIKE Flood matchning i de olika scenarierna.
Measure of fit Scenario 1 79.0 % Scenario 2 76.1 % Scenario 3 69.8 % Scenario 4 69.1 % Scenario 5 63.0 % Scenario 6 42.0 %
Var differensen mellan modellerna uppstår är viktigt. Eftersom i vissa områden där skillnader uppstår kan ett fel modellval göra att inga åtgärder vidtas och därmed uppstår värde förluster vid inträffandet av ett skyfall. Självklart kan det också finnas områden där inga konsekvenser uppstår trots översvämning och då blir det inga kostnader om händelsen inträffar. MIKE Flood ger generellt en större översvämningsutbredning än MIKE 21 vilket kan tyda på att det säkraste valet är en kopplad 1D-2D modell. För en MIKE 21 modell blir också valet av schablonvärde av större vikt än för MIKE Flood. Det eftersom antalet översvämmade celler minskar mer för MIKE 21 än för MIKE Flood med en ökad antagen kapacitet för dagvattenledningsnätet. För att vara på den säkra sidan kan man anta att
22
dagvattenledningsnätet är underdimensionerat, det vill säga att dagvattenledningsnätet är dimensionerat för att hantera mindre ett 5 års regn. Eftersom marköversvämning i ledningsnätet fås redan vid den belastningen. Samtidigt ska modelleringen vara så riktig som möjligt så att rätt resurser sätts på rätt plats och att överskatta konsekvenserna från ett skyfall kan skapa kostnader som egentligen inte behövs. Däremot att inte implementera åtgärder kan innebära stora konsekvenser för samhället.
Utbytet mellan MIKE 21 och MIKE Urban
Den största skillnaden mellan MIKE 21 och MIKE Flood är att den förstnämnda är en ren 2D modell och den andra en kopplad 1D-2D modell. För MIKE Flood sker det en interaktion mellan höjdmodellen och ledningsnätet som styrs av ’orifice’ ekvationen. Om man ser till ekvation 8 innebär det att det sker ett flöde från MIKE Urban till MIKE 21 då 𝑄𝑈𝑀21 är positivt. Om flödet är negativt innebär det att vatten
flödar från MIKE 21 till MIKE Urban, alltså ner i ledningsnätet. Denna del avser att utforska interaktion i några kritiska noder där differensen mellan modellerna är betydande. Figur 16 till 21 visade att den största differensen mellan modellerna uppstod längs Vikdalsvägen där MIKE Flood har en större översvämningsutbredning än MIKE 21. Det fanns också ett område där MIKE 21 hade större vattendjup än MIKE Flood. För de fyra noderna i figur 22 undersöks flödet mellan modellerna.
Figur 22. Noder där utbytet mellan MIKE 21 och MIKE Urban undersöks
Figur 23, visar flödet mellan MIKE Urban och MIKE 21 i noden DNB2009. Det är ett stadigt flöde från MIKE Urban till MIKE 21 inledningsvis. Detta indikerar på att vattendjupet i MIKE Flood borde vara större än vattendjupet i MIKE 21 eftersom det kommer ett tillskott från MIKE Urban. Flödet mellan MIKE 21 och MIKE Urban för Nod DNB2010 och DNB2003 finns i Bilaga F. Det visar på att brunnen inte har kapacitet att ta upp vatten under regnets intensitetsmax för att sedan transportera bort vatten från området. Dessa noder visar på samma sak som DNB2009.
23
Figur 23. Utbytet mellan MIKE 21 och MIKE urban i nod DNB2009. Om flödet är negativ är riktningen från MIKE 21 till MIKE Urban och om positiv är riktningen den motsatta.
Längre uppströms finns ett område där MIKE 21 har en större översvämningsutbredning och vattendjup än MIKE Flood, nämligen kring noden DNB1602, se figur 22. Figur 24 visar flödet mellan MIKE Urban och MIKE 21 för noden. Flödet går från MIKE 21 till MIKE Urban.
Figur 24. Utbytet mellan MIKE 21 och MIKE urban i nod DNB1602. Om flödet är negativ är riktningen från MIKE 21 till MIKE Urban och om poistiv är riktningen den motsatta.
Vidare undersökas vilka delar av ledningsnätets som hade uppnått sin fulla kapacitet, det vill säga där ledningarna var trycksatta. Dessutom undersöktes var vattennivån i noderna översteg markytans nivå. Figur 25 visar vilka delar av ledningsnätet som uppnått sin fulla kapacitet och vilka noder som översvämmas för scenario 3. Det är flera delar av ledningsnätet som inte uppnått sin fulla kapacitet. Vattennivå överstiger markytan i de områden där MIKE Flood har en större översvämningsutbredning än MIKE 21. Resterande scenarier hittas i Bilaga G. Dessa scenarier visar på samma mönster som scenario 3. De visar också att antalet översvämmade ledningssträckor minskar med en minskad belastning på MIKE Urban.
