The creation of reliable flood extent maps is becoming an increasingly important question as the  damage  caused by  natural  disasters  is  becoming  more  severe and the frequency of these events is increasing.  By limiting the uncertainty in flood modelling and simplifying the creation of flood extent maps, a more iterative process is made possible. This iterative process could potentially facilitate the development of more reliable emergency plans. The purpose of this report is to describe how water levels, simulated with a hydraulic model in an efficient way, can be processed in ArcGIS to produce flood extent maps. Focus has been placed on the inclusion of flooded areas occurring on the side of the river and the improvement of handling of tributaries. Inundated areas close to a flooded river can occur due to ground water interactions and increased surface runoff being trapped in low-lying points in the terrain. By analysing flood extent maps derived by various methods, a new model was developed in ArcGIS’s ModelBuilder. By viewing the entire river as a coherent unit the model produces flood extent maps with more reliable descriptions regarding connecting tributaries. This new model drastically decreases the need for manual adjustments and the creation of extra polygon shapefiles to constrain the interpolation area.  At the same time, it decreases the computation time due to the fact that it is a “cleaner” model. When applying the model on areas previously mapped using a tool developed at WSP (the KOG-tool) and MIKE 11’s built in tool for mapping of flood extent, it showed a high degree of accuracy. Concerning differences in water levels, the majority of raster values lay within a 0-1-millimetre range. These results imply a high credibility for the developed model. When evaluating the model against empirical flooding data, it showed satisfactory agreement, especially considering   the limited water level data available and the fact that the developed model does not take into consideration interaction with urban infrastructure or potential river blockages. / Efterfrågan av pålitliga översvämningskartor ökar med den ökade frekvensen av översvämningar med betydande negativ påverkan. Genom att minska osäkerheter i översvämningsmodellering och effektivisera genereringen av vattenutbredningskartor tillåts en mer iterativ process som medför mer pålitliga kartor. Syftet med denna rapport har varit att beskriva hur vattennivåer simulerade med hydrauliska modeller effektivt kan bearbetas i ArcGIS för att åstadkomma kartor över översvämningars vattenutbredning. Förbättrad hantering av översvämningsöar och anslutande biflöden har varit fokusområden. Genom att utvärdera och analysera vattenutbredningar genererade med olika verktyg har en modell, SÖK-modellen, utvecklats i ArcGIS:s ModelBuilder. Genom att hantera hela vattendraget som en sammanhängande enhet hanteras anslutande biflöden på ett sätt som leder till mer korrekt beskrivning av vattenutbredning i biflöden. Den framtagna modellen minskar drastiskt behovet av manuella justeringar och skapande av polygoner med syfte att begränsa interpolationsområden samtidigt som beräkningstiden minskas. Användning av modellen på områden karterade med ett av WSP utvecklat verktyg samt med MIKE 11s inbyggda modul för översvämningskartering visar på god överensstämmelse av interpolerade vattennivåer mellan de olika verktygen, de flesta skillnader är i storleksordningen 0-1 millimeter. Detta kombinerat med stora likheter i vattenutbredning mellan de utvärderade verktygen medför att den framtagna modellen anses lika pålitlig som övriga utvärderade verktyg. Vid utvärdering av modellen på en faktisk översvämning påvisades god överensstämmelse med observerad vattenutbredning, speciellt med hänsyn till den begränsade datamängd som funnits tillgänglig samt att den framtagna modellen inte tar hänsyn till interaktioner med urban infrastruktur eller eventuella blockader i vattendraget.

Many regions in Africa are presently faced with an increasing flood risk due to impending climate change and population growth. One useful mitigation strategy to decrease this risk would be to map it, so that urban planning, warnings systems and emergency response subsequently could be designed to reduce societal vulnerability. This is, however, not widely feasible on the African continent, as developing countries often lack access to the topography and discharge data required to produce high- quality flood risk maps. To seek a way around this problem, on-going research is investigating the possibility of obtaining alternative model inputs, by using global datasets of elevation, derived from remote sensing, and methods to estimate flood flows. This thesis presents a case study within this context where the aim was to determine the accuracy of an African catchment-scale flood map, produced with the satellite product SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) as topography input, and to explore the potentials and limitations of such a model scheme. Two high-magnitude floods, occurring in year 2000 and 2013 in the Lower Limpopo Basin (Mozambique), were modelled for inundation extent, using a no-channel 2D model built for the LISFLOOD-FP flood modelling software. Flood water levels were also simulated to assess the models vertical performance. Model outcomes were evaluated against satellite imagery and recordings of high watermarks, adjusting the value representing the roughness of the floodplain to optimize flood extent correspondence. Due to different hydrograph dynamics, simulations of the two floods required different values of roughness (0.02 and 0.09 s m-1/3) to reach maximum accuracy (F = 0.59 and 0.64, respectively). However, the results also indicated that a model calibrated with a flood of relatively low return period potentially could be used to map rare flood events. Simulation inaccuracies were mainly attributed to (1) reservoirs and streams, temporarily connecting to the river system during high flow conditions, (2) limitations of the topography data, in terms of recognizing riverbed geometry and floodplain micro-topography, and (3) cloud cover, reducing the accuracy of flood extent reference data. The vertical simulation accuracy, with an average error of ± 2 m, was well within the uncertainty bounds of input data. Errors were in this case ascribed the SRTM’s representation of high slope terrain and possible radar speckles in urban areas. The findings of this study indicate that there is high potential in using SRTM data for mapping of high-magnitude flood risk in Africa, but also that consideration to river system complexity is crucial. / Många  områden  i  Afrika  står  för  närvarande  inför  en  ökad  översvämningsrisk  på  grund  avklimatförändringar och befolkningstillväxt. En användbar strategi att minska denna risk skulle vara att kartlägga den, så att stadsplanering, varningssystem och respons vid nödsituationer därefter skulle kunna utformas till att begränsa samhällets sårbarhet. Detta är dock inte möjligt på bred front över Afrikas kontinent, då utvecklingsländer ofta saknar det data av topografi och vattenflöde som behövs för producera högkvalitativa översvämningsriskkartor. För att försöka hitta ett sätt att kringgå detta problem undersöker pågående forskning möjligheten att generera alternativ modelleringsinput, från globalt tillgängligt höjddata, insamlat av satelliter, och metoder att uppskatta översvämningsflöden. Denna uppsats presenterar en fallstudie inom denna kontext där syftet var att bestämma kvalitén hos en översvämningskarta över ett Afrikanskt avrinningsområde, producerad med satellitprodukten SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) som topografiinput, och att utforska möjligheterna och begränsningarna med en sådan karteringsmodell. Två stora översvämningar, vilka inträffade år 2000 och 2013 i Nedre Limpopobassängen (Mocambique), simulerades för utbredning med hjälp av en 2D- model utan flodfåra byggd för modelleringsprogrammet LISFLOOD-FP. Vattennivåer simulerade också för att kunna bedöma modellens vertikala prestation. Resultaten jämfördes med satellitbilder och dokumenterade höga vattenmärken (observerade på t ex. husfasader), samtidigt som flodplanets flödesmotstånd justerades för att optimera överensstämmelsen. Då översvämningarna var av olika karaktär behövdes olika flödesmotstånd (0.02 and 0.09 s m-1/3) för att maximal kvalité på respektive översvämningskarta skulle uppnås. Denna kvalité beräknades till 0.59 och 0.64, på en index-skala (F) där 1.00 motsvarar en perfekt simulering. Trots olika optimala flödesmotstånd antydde resultaten även att en modell kalibrerad med en relativt frekvent återkommande översvämning möjligtvis kan användas till att kartlägga sällsynta översvämningar. Avvikelserna mellan dokumenterad och simulerad översvämningsutbredning tillskrevs i huvudsak: (1) sjöar och vattendrag som temporärt ansluter till flodsystemet under höga flöden, (2) begränsningar i topografidatat gällande att fånga flodens geometri och flodplanets mikro-topografi samt (3) moln som skymmer översvämningarna i referensdatat och minskar dess sanningshalt. Vattennivåer simulerades med ett genomsnittligt fel av±2 m, vilket med marginal ligger inom inputdatats totala osäkerhetsram. Avvikelserna troddes i detta fall bero på SRTM-datats representation av sluttande terräng och möjliga radarfläckar (reflektioner) i urbana områden. Resultaten i denna studie indikerar att det ligger stor potential i att använda SRTM- data för att kartlägga risken för stora översvämningar i Afrika, men belyser också vikten av attuppmärksamhet ges till flodsystems komplexitet.

The probability and impact of flooding is projected to increase in the future. This is due to climate and land-use changes (e.g. urbanization) in addition to the ongoing socioeconomic development of many floodplain areas. Exploiting the increasing availability of satellite data for flood inundation modelling will allow mapping floods in remote, data-poor areas to lower costs, and thereby make it possible to estimate flood risks in areas that today lack the economic resources needed for supporting risk assessment. In this context, this study has investigated the potentials and limitations of using low-cost, global remote sensing data (i.e. SRTM) to support flood inundation modelling. To this end, a case study of a river reach along the Mississippi was exploited. In particular, two flood inundation models were built by using the same 2D hydraulic model code (LISFLOOD-FP), but with two different topographical inputs, i.e. high quality/accuracy LiDAR topography data and the freely available SRTM topography data. The LiDAR data was lowered to the same resolution as the SRTM data and the two models were run with the resolution of 83x83 m2 . Thereafter, the models were compared by simulating two historical flood events of different magnitude. The comparison of the two models showed that flood inundation modelling with satellite data is more accurate (closer to the reference model, i.e. LiDAR-based model) for the higher magnitude flood event than for the lower magnitude flood event. This was attributed to the relatively reduced importance of micro topography during bigger flood events. An area-based performance measure gave a value of the correspondence (i.e. the fit) between the predicted flood extents for the two models. The areas/pixels were reclassified in ARC GIS to flooded or dry. Thereafter, areas flooded in both the LiDAR and the SRTM simulations were divided by the sum of the areas flooded in both or in one of the simulations (LiDAR or SRTM). From this procedure the fit could be determined, where a fit of 100 % would mean that the simulations had predicted the same flood extents. For the high magnitude flood event simulated in this study, the fit in terms of flood extent between the LiDAR-based and the SRTM-based model was 72 %, while the fit for the smaller flood was only 38 %. In this study, model calibration was preformed manually because of limited availability of time and computational power. However, this is not considered a major limitation as the work does not aim to make a faultless model of this river reach of the Mississippi, but rather to determine the potentials and limitations of SRTM topography data in supporting flood inundation modelling. Additional studies of rivers systems with different properties, flood magnitudes, vegetation covers and river scales should be conducted, to further validate the usability of remote sensing data for flood inundation modelling. / Stora områden runt om i världen har problem med översvämningar, som står för 40 % av alla dödsfall orsakade av naturkatastrofer. Det är troligt att risken för översvämningar kommer att öka i framtiden på grund av klimatförändringar och ändrad landanvändning, som till exempel urbanisering. Ett problem är att det ofta är dyrt att göra kartor som beskriver översvämningsrisker och därför finns det många områden där kunskap om riskerna saknas. I denna studie har det undersökts huruvida det är möjligt att använda globala fjärranalysdata (data från satelliter) för översvämningsmodellering. Detta skulle möjliggöra framställandet av kartor över översvämningsrisker till en låg kostnad, och därmed nå ut till områden där idag inte finns ekonomiska resurser nog för detta. En fallstudie har gjorts av en sträcka utmed Mississippifloden (USA) och två översvämningsmodeller har byggts genom att använda samma hydrauliska modelleringskod (LISFLOOD-FP). Skillnaden mellan modellerna var att den ena modellen byggdes med hjälp av LiDAR-topografidata, medan den andra modellen baserades på gratis SRTMtopografidata. LiDAR-data är högkvalitativt och högupplöst data (1 meter upplösning) insamlat från flygplan med hjälp av laser. SRTM-data har endast 30-90 meters upplösning (83 meter inom fallstudieområdet) och är insamlat av satelliter. Upplösningen av LiDAR-datat ändades till samma upplösning som för SRTM-datat och båda modellerna kördes med en upplösning av 83x83 m2 . De två modellerna jämfördes genom att två historiska översvämningar, en liten år 2008 och en mycket stor år 1993, simulerades. Jämförelsen av de två modellerna visade på att modellering med hjälp av satellitdata är mer precist och närmare referensmodellen, det vill säga den LiDAR-baserade modellen, för större översvämningar än för mindre översvämningar. Förklaringen till detta tillskrevs den relativt reducerade betydelsen av mikrotopografi för större översvämningar. Överrensstämmelsen mellan modellresultaten räknades ut genom att områdena/pixlarna först blev omklassificerade i ARC GIS som översvämmande eller icke översvämmade. Därefter delades antalet områden som svämmades över i båda simuleringarna med antalet områden som svämmades över i båda simuleringarna eller i den ena av simuleringarna. På detta sett kunde en faktor för överensstämmande bestämmas, där en faktor på 100 % innebar att modellerna förutspådde lika stora översvämningar. För den större översvämningen som simulerades överensstämde, i fråga om utbredning, de två modellerna (LiDAR och SRTM) till 72 %, medan modellerna för den mindre översvämningen endast överensstämde till 38 %. I denna studie gjordes kalibreringen manuellt då den tillgängliga tiden och datorkapaciteten var begränsad. Dock så anses inte detta vara en stor begränsning eftersom studien inte syftade till att göra en felfri modell av översvämningsriskerna utmed en sträcka av Mississippifloden, utan till att undersöka användbarheten och begränsningarna av satellitdata för översvämningsmodellering. Denna studie stödjer tidigare teorier om att globala satellitdata har stort användningsområde för att simulera översvämningsrisker. Dock behövs fler studier av flodsystem med olika egenskaper, storlek på översvämningar och vegetation göras för att ytterligare validera detta.

Sveriges markanvändning ser idag annorlunda ut än för 100 år sedan. Det senaste århundradet har våtmarker dikats för att öka mängden odlingsbar areal. I och med utdikning av våtmarker förändrades den kustnära miljön, där många fiskarter har sina lekområden.När en minskning av predatorfisk observerades i Östersjöns kustnära områden i slutet av 1900-talet ansågs att exploatering av fiskens lekområden kunde vara en möjlig orsak för minskningen. För att återskapa naturliga lek- och uppväxtområden diskuteras nu en implementering av naturliga trösklar i diken som avvattnar kustnära våtmarker. I samband med dessa restaureringsarbeten utfärdar man beslutsprocesser tillsammans med bland annat markägare. För att kunna uppskatta och kvantifiera hur närområdet påverkas av en naturlig tröskel behöver effekten av den tilltänkta tröskeln på vattenflöden modelleras.I denna studie har därför en hydraulisk modell utvecklats för att kunna simulera vattenflöden i tre våtmarker som ligger på Öland där implementeringen av naturliga trösklar är tilltänkt: Maren, Hyllekärr och Brokhål. Modellen användes framförallt för att kunna uppskatta hur våtmarkerna översvämmas vid olika vattenföring. Genom ett observerat starkt samband mellan avrinningsområdets yta och vattenföring kunde extrema flödesscenarion simuleras. En metod för att beskriva naturliga trösklars påverkan på uppströms flödesregimer har utvecklats med hydraulisk modellering i HEC-RAS. För att validera modellresultaten uppmättes vattenflöde under vårflod 2017.Modellsimuleringen visade att endast Brokhål visade förväntade resultat, Maren visade förväntade resultat vid högre flöden och Hyllekärr visade orimliga översvämningar. Validering av resultaten visade att höjdmodellen som använts har visat felaktig topografisk information för alla tre våtmarkerna. Avvikelser och felaktigheter i topografi och batymetri har pekats ut som den största bakomliggande felkällan till modellen.Studien visade att naturliga trösklar har ingen, eller extremt liten påverkan på uppströms flödesregimer. Det bör dock poängteras att modellen har kraftiga begränsningar, särskilt höjdmodellens upplösning. Fler försök med modellen samt utveckling av höjdmodellen rekommenderas och resultaten från denna studie bör endast ses som vägledande. / In the late 20th century a decrease in coastal predatory fish in the Baltic Sea has been observed. It has been suggested that exploitation of the fish’s spawning habitats, mainly through draining of coastal wetlands, was one reason for the fish decline. To recreate spawn and growth areas, natural thresholds can be installed in trenches draining coastal wetlands. To quantify the effects of a natural threshold on water discharge in the drainage area under various water flow regimes modeling is needed.In this study, a hydraulic model was developed to estimate the effect of changing water discharges of three wetlands when natural thresholds are implemented, i.e. Maren, Hyllekärr and Brokhål, located on northern Öland. The model was run under different water flow regimes. Through an observed strong relation between catchment area and discharge, extreme discharge situations could be simulated. A method for investigating the effects of natural thresholds on upstream flow regimes has been developed with hydraulic modeling in HEC-RAS. To validate the model results, a comparison with empirical data during the spring flood 2017 was made.Model simulations showed that only water discharges in Brokhål behaved as expected, Maren behaved as expected for large flows and results for Hyllekärr were considered not being reliable. Validation showed that the elevation model for topography and bathymetry deviated from reality in all three wetlands. The elevation model has been identified as the single largest source of error in the water discharge model.From the model results, it is concluded that natural thresholds have none, or very minor effects on the upstream water flow regimes. It should however be emphasized that the model has major limitations, in particular the elevation model’s resolution. It is highly recommended to further develop the elevation model before further simulations on water discharges are made. The results from this study should only be considered as a first approximation where more detailed studies are needed to confirm that natural thresholds won’t result in major changes in upstream water flows.

Due to recent summers’ amplified frequency in intense rainstorm events, so-called cloudbursts, in places of the world not normally prone to such extreme weather phenomena, interest has aroused amongst authorities regarding measures to address in order to minimize the devastating impact of the subsequent floods. Such measures include physical planning of the townscape in terms of avoiding water to pond in inappropriate places. An important tool in this process is flood modelling. By utilizing advanced numerical hydraulic models, risk areas in the urban environment can be identified and important flow paths can be detected. A computer model that is able to simulate the two-dimensional surface runoff is MIKE 21, a part of the MIKE by DHI software series for water environment modelling. MIKE 21 comes in two versions, the Classic version and the Flexible Mesh (FM) version. The Classic version employs a structured orthogonal mesh to describe the topography/bathymetry of the computational domain, whilst the FM version bases its general domain description on a triangulated, unstructured mesh. In contrast to the Classic approach, the FM description allows for an altered resolution within the study area. This allows for an increase of the mesh resolution in the proximity of structures that are assumed important for the flood propagation, and a decrease in homogenous areas that are not expected to be as important regarding the general flood distribution. In this report, the suitability of applying the FM version in precipitation-related urban flood modelling purposes has been investigated. The results have been compared to those obtained from the Classic model, which represents the current method employed to perform these kind of analyses. The main investigations have been conducted in scenarios representing a rainfall event with a return period of 100 years. As no calibration data was available for the sites investigated at this kind of extreme event, the results only relate to each other. The results showed no significant difference between the models regarding where water generally will flow and accumulate. However, the spatial and volumetric distribution of the water in risk areas is more severe in the Classic model’s results. This was assessed to be the consequence of a parameter, only existing in the FM model, which suppresses the momentum equations of the model and by doing so, retains water in the mesh elements and prevents it to flow unimpeded until a certain depth is achieved. Too low values of this parameter caused instabilities in the program. Additionally, the required workload to set up the FM model was found significantly higher compared to the Classic model. Accordingly, no sensible reason to change from the Classic to the FM approach in urban flood modelling could be found. / På grund av de senaste somrarnas ökade återkomst av kraftiga och intensiva regn, så kallade skyfall, i delar av världen som vanligtvis inte har varit speciellt utsatta för den här typen av väderfenomen har medvetenheten av deras förstörande kraft ökat bland kommuner och myndigheter. Med det har också intresset kring översvämningsförebyggande åtgärder ökat. Sådana åtgärder inkluderar den fysiska utformningen av stadsbilden ifråga om exempelvis höjdsättning för att undvika vattenansamlingar på olämpliga ställen. I denna process är översvämningsmodellering ett viktigt redskap. Med hjälp av avancerade numeriska hydrauliska modeller kan riskområden samt flödesvägar i stadsmiljön kartläggas. MIKE 21 är en datormodell som kan simulera den tvådimensionella ytavrinningen. MIKE 21 är en del av programsviten MIKE by DHI och återfinns i två versioner, MIKE 21 Classic och MIKE 21 Flexible Mesh (FM). Classicversionen utgår från ett rutnätmönstrat grid för att beskriva topografin/batymetrin i beräkningsdomänen, medan den i FM-versionen bygger på en triangulär, ostrukturerad konstruktion. I och med sin ostrukturerade uppbyggnad tillåter FM-beskrivningen en varierad upplösning inom studieområdet, tillskillnad från Classic-tillvägagångssättet. Detta gör det möjligt att i FM-modellen öka upplösningen i komplexa områden som anses särskilt viktiga för att kunna ge en korrekt bild av översvämningsförloppet, medan en lägre upplösning kan tilldelas mer homogena områden som anses ha en mindre viktig betydelse för den generella översvämningsutbredningen. Den här rapporten har undersökt hur väl MIKE 21 FM lämpar sig i skyfallsanalyser. Resultaten har jämförts mot de resultat som erhållits från Classic-modellen, som representerar det nuvarande tillvägagångssättet att utföra skyfallsanalyser på. Huvudutredningarna byggde på scenarion som kan uppstå när ett 100-årsregn faller över studieområdena. Eftersom ingen mätdata från ett sådant skyfall fanns att tillgå har resultaten från de två modellerna endast jämförts i förhållande till varandra. Resultaten visade inte på några egentliga skillnader ifråga om var vatten ansamlas. Dock kunde det påvisas att både den ytliga och volymetriska utbredningen i och kring ansamlingsplatserna var högre i Classicmodellen. Detta bedömdes ha att göra med en djupparameter som endast återfinns i FM-modellen. Denna parameter styr när modellens momentekvationer tas med i beräkningen. På så sätt styr den när vatten kan flöda mellan elementen i meshet. För låga värden på den leder till instabiliteter i programmet. Vidare visade sig arbetet med att framställa en FM modell vara betydligt mer tidskrävande jämfört med Classicmodellen. Med bakgrund av detta kunde inte någon anledning till varför MIKE 21 Classic skulle frångås i skyfallsanalyser hittas.

With an expanding urbanization in the world, and thus the expansion of impermeable surfaces, the risk of pluvial floods is an increasing factor that needs to be considered. This, in combination with increasing rain intensities and frequency of rain events indicates a problem both today and for the future. With this in mind, it is an advantage to increase the knowledge of how different variations of extreme rainfall affects the hydraulic response of urban catchments, as well as which areas in urban environments contribute to the flood peak. The aims of this study are, with a particle tracking approach, to investigate how the peak runoff contributing areas differ geographically depending on the duration and time to peak of the rainfall event. This also includes the evaluation of what sizes of urban catchment areas are relevant to include when modelling the hydraulic response of Swedish urban catchment in relation to the characteristics of the hyetograph. The catchment area used in this study is made synthetically to represent a generic Swedish urban catchment with regards to the proportions of hardened surfaces, buildings and low points, as well as the slope of the catchment. Various variants of the Chicago Design Storm were implemented in the model. This included three different durations of 2-, 4- and 6 hours of which each, separately, constituted of three different time to peak that is decided by an r-value when creating the design storms. The r-values used in this study is 0.1, 0.4 and 0.8 where the values correlates to an early-, centred- and late peak of the hyetograph. To be able to investigate the peak contributing area, a particle tracking approach was initially used as an equivalent to tracers where the particles are first evenly distributed over the catchment area to then be concentrated to the locations that shows a variation in in the peak contributing area. This was done by using the modelling program MIKE 21 Flow Model FM powered by DHI, which also was used to run the hydrodynamic simulations of the inundation. The results of the hydrodynamic simulations showed that the rain events generated more runoff as the duration was extended. In addition, the timing of the peak of the rainfall intensity also had an impact on the result as the runoff increased with increasing r-value. Thus, as the peak of the hyetograph is delayed, it imposes an increasing risk of severe flooding. Furthermore, with the use of particle tracking, it could be concluded that the different design storm had an influence on the peak contributing distance where the distance grew larger when the duration of the rainfall event was extended and when the peak of the storm was delayed. / Med en ökande urbanisering i världen, och med det även en ökning av hårdgjorda ytor, är risken för pluviala översvämningar en allt större faktor som måste beaktas. Detta i kombination meden ökande regnintensitet samt nederbördsfrekvens indikerar ett problem både för idag och förframtiden. Med detta i åtanke är det en fördel att öka kunskapen om hur olika variationer avextrem nederbörd påverkar den hydrauliska responsen i urbana avrinningsområden, samt vilka områden i stadsmiljöer som bidrar till den maximala översvämningen. Syftet med denna studie är att, med hjälp av partikelspårning, undersöka hur peak-bidragande områden skiljer sig geografiskt beroende på regnets varaktighet samt tid till regnintensitetsmaximum. I detta ingår även utvärdering av vilka storlekar av urbana avrinningsområden som är relevanta att inkludera vid modellering av den hydrauliska responsen i förhållande till hyetografens egenskaper. Avrinningsområdet som används i denna studie är syntetiskt gjort för att representera ett generiskt svenskt urbant avrinningsområde med avseende på andelen hårdgjorda ytor, byggnader och lågpunkter, samt avrinningsområdets lutning. För att studera nederbördens inverkan på den hydrauliska responsen i avrinningsområdet implementerades olika varianter av en designstorm kallad Chicago Design Storm. Detta inkluderade tre olika varaktigheter på 2-,4- och 6 timmar av vilka var och en, separat, bestod av tre olika tid till regnintensitetsmaximum,vilket bestäms av ett r-värde vid skapandet av designstormarna. De r-värden som används i denna studie är 0.1, 0.4 och 0.8 där det lägre värdet korrelerar med en tidig topp, mittvärdet är lika med en centrerad topp och det högre värdet motsvarar en sen topp på hyetografen. För att kunna undersöka det peak-bidragande området användes initialt en partikelspårningsmetod som en motsvarighet till spårämnen där partiklarna först är jämnt fördelade över avrinningsområdetför att sedan koncentreras till de platser som visar en variation i det peak-bidragande området. Detta gjordes genom att använda modelleringsprogrammet MIKE 21 Flow Model FM som drivs av DHI, vilket också användes för att genomföra de hydrodynamiska simuleringarna av översvämningen. Det upptäcktes relativt tidigt i simuleringsstadiet av arbetet att det skulle vara svårt att identifiera det peak-bidragande området i avrinningsområdet, då majoriteten av de partiklarsom släpptes ut på platser med antingen lågt flöde eller låg vattennivå hade svårt att ta sig tillutloppet av avrinningsområdet. Med anledning av detta vändes fokus i studien mot avrinningsområdets centrala dräneringsväg där partiklarna kunde röra sig mer fritt. Därför togs ett beslut att undersöka det peak-bidragande avståndet längs den centrala dräneringsvägen istället för det peak-bidragande området. Resultaten av de hydrodynamiska simuleringarna visade att regnen genererade mer avrinning när varaktigheten förlängdes. Dessutom hade tidpunkten för toppen av nederbördsintensiteten också en inverkan på resultatet då avrinningen ökade med ökande r-värde. Allteftersom toppen av hyetografen senareläggs, medför den en ökande risk för allvarliga översvämningar. Vidare, med användningen av partikelspårning, gick det att dra slutsatsen att de olika designstormarna hade en effekt på det peak-bidragande avståndet, då avståndet blev större när varaktigheten av regnen förlängdes och när regnets intensitetstopp inträffade senare under regneventet.

Översvämningar till följd av intensiva nederbördstillfällen har de senaste åren ökat i antal och omfattning. Dessa händelser förväntas bli vanligare i framtiden och skapa fler översvämningar. Med anledning av detta är det intressant att undersöka hur översvämningar i framtiden breder ut sig och vilka vattennivåer som bildas med förväntad nederbörd. Att modellera översvämningar kräver data som i vissa fall kan vara både tidskrävande och omständig att införskaffa. Möjliga avgräsningar och antaganden i modellparametrar kan då vara intressanta att göra som fortfarande ger användbara resultat. En skyfallskartering har genomförts med 2D-hydraulisk modellering i Kumla med programvaran MIKE 21 Flow Model FM. De översvämningskartor som skapades användes för att identifiera områden i Kumla som riskerar att drabbas av höga vattennivåer till följd av skyfall motsvarande 100- och 200-årsregn. En stor osäkerhet vid modellering av översvämningar är att validera resultaten som fås fram. Ofta saknas information om tidigare översvämningar. De nederbördstillfällen som används är ofta så stora att det saknas data om liknande händelser tidigare. Vid översvämningsmodellering anväds data som beskriver olika typer av modellparametrar. Dessa kommer med ytterligare osäkerheter som kan göra valideringen problematisk. För att undersöka hur stor effekt olika modellparametrar har på resultatet genomfördes en känslighetsanalys där differenskartor skapades mellan undersökta scenarion och referenskartor. Skyfallskarteringen visade att stora delar i Kumla drabbas av översvämningar för både ett 100- och 200-årsregn. Området Kumlaby identifierades som känsligt och får höga vattennivåer. Detta beror mest troligt på omgivningens topografi och att Kumlaby underlagras av leror med låg infiltrationskapacitet. I känslighetsanalysen identifierades markens råhet och infiltrationskapacitet vara styrande parametrar för översvämningens utbredning och vattennivåer. Dessa påverkar främst hur höga vattenflöden som uppstår och översvämningens utbredningen och vattennivåer. Kunskap om dessa parametrar är viktigt för att undvika över- eller underskattning av en översvämning. Användningen av avrinningskoefficienter istället för markens råhet, infiltrationskapacitet och evaporation undersöktes. Differensen i översvämningens utbredning och vattennivåer blev stor i och utanför Kumla tätort. På mindre områden kan det vara mer lämpligt att använda en avrinningskoefficient när en mer detaljerad klassning kan göras av de markytor som finns. Ett scenario som undersöktes i känslighetsanalysen var installation av gröna tak på alla byggnader i Kumla. Simuleringarna som genomfördes visade att både utbredningen och vattennivåer minskade. Detta till följd av större lagringskapacitet och motstånd mot vattenflöden som kommer med gröna tak. / Urban floods caused by intense rainfall have occurred more frequently the last couple of years. These rainfall events are expected to become more common in the future and create more floods in urban areas. This makes it important to investigate the extent and water levels from urban floods in the future. In order to simulate floods, different types of data is needed. This data can be both time consuming and difficult to obtain. With this in mind, it is interesting to investigate possible simplifications and assumptions of model parameters. A cloud burst mapping was made with 2D hydraulic modelling in Kumla with the software MIKE 21 Flow Model FM. The flood maps created were used to identify areas in Kumla which have a higher risk of being subject to high water levels. One uncertainty while modelling urban floods is the process of validating the results. There is often a lack of data for the used rainfall events or information from previous floods in the area. In flood modelling data is used which describes different model parameters, these comes with additional uncertainties and can make the validation more difficult. A sensitivity analysis was made to be able to examine effects on the results from variations in model parameters. The cloud burst mapping showed that large parts of Kumla will be affected by water levels which goes up to 1 m. The area Kumlaby was identified as being sensitive for high water levels. This is due to placement of Kumlaby below higher ground which causes water to flow toward Kumlaby. The ground below is mostly made up of clay which has low infiltration capacity. In the sensitivity analysis the bed resistance and infiltration capacity were identified as governing parameters regarding the extent and water levels of urban floods. In order to avoid over- or underestimation of floods it is important to have knowledge about these parameters in the model area. The use of a runoff coefficient instead of bed resistance, infiltration and evaporation were examined. The difference of the resulting flood were large in the whole model area. In smaller areas a runoff coefficient could be used with better results when a more detailed description can be made of the surfaces in the area. A scenario where green roofs were assumed to have been installed on all buildings in Kumla were examined. The simulations showed that both the extent and water levels decreased. This due to the fact that green roofs have a capacity to store water and delay flows of water.

Uncertainties with a modeling framework consisting of a weather generator, two precipitation disaggregation models and the hydrological HBV model was assessed with respect to hydrometeorological extremes in Tyrol, Austria. Extreme precipitation events are expected to increase in intensity and frequency in the Alps during a warmer climate. The Alpine regions may be particularly vulnerable to such changes in climate where many floods in Europe occurred during recent years and caused major damage and loss of life. Weather generators typically provide time series at daily resolution. Different disaggregation methods have therefore been proposed and successfully tested to increase temporal resolution in precipitation. This is essential since flood peaks may be maintained for as little as minutes. Here, the non-parametric method of fragments was tested and compared with the multiplicative microcanonical cascade model with uniform splitting on the reproduction of precipitation extremes. It is also demonstrated that the method of fragments model can be transformed to disaggregate temperature with slight changes in the model structure. Preliminary test results show that the simulation of discharge peaks can be improved by disaggregating temperature in comparison with using daily averages as input in the HBV model.  Test results show that precipitation extremes were simulated within confidence bounds for Kelchsauer and Gurglbach when using historical observations as input. These two catchments had longer records of data available in comparison with Ruetz where the majority of simulated precipitation extremes were found outside confidence ranges. This indicates that the model is data driven. Synthetic data series were constructed with the weather generator from historical data and disaggregated with the two disaggregation models. The differences between the models were bigger for Ruetz where less observed data was available. The method of fragments simulates extremes with the closest resemblance to extremes. This is also true for the reproduction of wet spells and simulated variance. To account for parameter uncertainty in the HBV model, it is highly motivated to simulate discharge with different but suitable parameter sets to account for equifinality. However, the large amount of data produced when disaggregating the weather generated time series transcended the data capacity of the HBV model and made it crash. Other uncertainties related to the framework are the use of theoretical probability distributions in the weather generator and the dependence of high-resolution data for the disaggregation model. Despite these uncertainties, the framework is closer to a physical understanding of the causes of floods than the uncertain frequency analysis method. The framework is also applicable to land-use and climate change studies.

Flood inundation modelling is highly dependent on an accurate representation of floodplain topography. These  remotely  sensed  accurate  data  are  often  not  available  or  expensive,  especially  in  developing countries. As an alternative, freely available Digital Elevation Models (DEMs), such as the near-global Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) data, have come into the focus of flood modellers. To what extent  these  low-resolution  data  can  be  exploited  for  hydraulic  modelling  is  still  an  open  research question. This benchmarking study investigated the potentials and limitations of the SRTM data set for flood inundation  modelling  on  the  example  of  the  Papaloapan  River,  Mexico.  Furthermore  the  effects  of vegetation signal removal from the SRTM DEM as in Baugh et al. (2010) were tested. A reference model based on a light detection and ranging (LiDAR) DEM was set up with the model code LISFLOOD-FP and run for two flood events. Test models based on SRTM DEMs were run and output flood extents compared to the reference model by applying a measure of fit. This measure of fit, which was based on binary wet/dry maps of both model outputs, gave information on how well the test models simulated the flood inundation extents compared to the reference model by giving a percentage of the model performance from theoretically 0 to 100 %. SRTM-based models could not reproduce the promising results of previous studies. Flood extents were mostly underestimated and commonly flooded areas were almost exclusively made up out of the main channel surface. One of the reasons for this likely was the much steeper slope of the SRTM DEM as opposed to the LiDAR DEM where water probably was conducted much faster though the main channel. Too high bank cells as well as generally more pronounced elevation differences of the SRTM DEM throughout the whole floodplain were another problem of the SRTM DEM preventing accurate flood inundation simulations. Vegetation  signal  removal  was  successful  to  a  certain  degree  improving  the  fit  by  about  10 %. However, a realistic shape of flood extent could not be simulated due to too big pixel sizes of the used canopy  height  data  set. Also,  the  conditioned  models  overestimated  flooded  areas  with  increasing vegetation signal removal, rendering some of the models useless for comparison, as water leaving the model domain could not be accounted for in the measure of fit. This study showed the limitations of SRTM data for flood inundation modeling where an accurate approximation of the river slope as well as accurately captured bank cells and floodplain topography are crucial for the simulated outcome. Vegetation signal removal has been shown to be potentially useful but should rather be applied on more densely covered catchments. / Översvämningar skapar stora problem världen över och fler och fler människor lever i områden som är utsatta för risk för att svämmas över. Dessutom förväntas översvämningar förekomma mer frekvent i många delar av världen i framtiden på grund av klimatförändringar. Skada orsakad av översvämningar kan  överstiga  flera  miljarder  US$.  Men  översvämningar  orsakar  också  andra  problem,  förutom ekonomiska förluster. De senaste 10 åren har mer än 60 000 människor dött på grund av översvämningar. Ytterligare 900 000 000 människor har drabbats på något sätt. Därför är det viktigt att man vet vilka områden som är utsatta för hög risk. Ett av de verktyg för att avgöra  översvämningsrisker  är  hydrauliska  datormodeller  som  försöker  förutse  hur  en  bestämd översvämning breder ut sig. Modellerna är baserade på fysiska principer och topografisk information. Helst vill man ha topografisk information med hög kvalitet och upplösning. Ofta har man data från fjärranalyser, insamlade från flygplan. Ett exempel på det är LiDAR-data som är baserad på laser. Dock är det ofta dyrt eller inte tillgängligt med LiDAR i avlägsna områden och utvecklingsländer, där man behöver sådan data som mest. Därför har forskare försökt att använda globalt tillgängliga topografiska data av låg kvalitet för hydrauliska modeller. En sådan datauppsättning är det så kallade SRTM-datat från amerikanska NASA. SRTM samlas in med hjälp av radarstrålar från satelliter. I flera studier har man fått goda resultat inom översvämningsmodellering med SRTM. Dock måste man testa det vidare för fler avrinningsområden. I den här studien har man försökt att använda SRTM i en hydraulisk modell för den mexikanska floden  Papaloapan.  För  att  se  hur  bra  (eller  dålig)  SRTM-modellen  är  för  att  simulera  hur  en översvämning sprids har man jämfört den med en modell baserad på högkvalitativ LiDAR-data. Båda modellerna  simulerade  samma  översvämningar. Topografiska  information  från  SRTM-data  är  oftast inkorrekt där det finns väldigt tät och hög vegetation, eftersom radarsignalen då inte räcker till marken och den uppskattade höjden är därför för hög i sådana områden. Av denna anledning ville man därför i denna  studie  även  testa  hur  resultatet  av  SRTM-modellen  skulle  förbättras  om  man  tog  bort  viss vegetation. Dessvärre var den utformade SRTM-modellen inte så bra för det här fallstudieområdet och SRTM-modellen  förutspådde  mycket  mindre  översvämningar  än  den  förmodade  mer  korrekta  LiDAR-modellen. Då vegetation avlägsnandes kunde man förbättra SRTM-modellen till viss mån, men det var fortfarande  inte  tillräckligt  för  det  här  området.  Denna  studie  visar  att  det  är  viktigt  att  fortsätta undersöka hur passande och användbart SRTM är, eftersom det har visat sig att SRTM inte är lämpligt för att förutspå översvämningar i alla delar av världen.

Syftet med fallstudien var att undersöka möjligheterna och nyttan med att implementera en höjdmodell med högre upplösning i SMHI:s översvämningsmodellering som tillämpar den hydrauliska modellen LISFLOOD-FP. SMHI utfärdar översvämningsvarningar och det är därför av vikt att översvämningsmodelleringen håller hög kvalitet. Samtidigt kräver modelleringen tid och resurser från Nationellt Superdatorcentrum i Linköping, NSC. Därför vägdes de potentiella fördelarna med högre upplösning mot förlängd körtid. Fallstudien bestod av två delar där en höjdmodell på två meters upplösning i xy-planet implementerades och jämfördes med den i dagsläget uppställda modellen på fem meters upplösning. Detta gjordes genom att återskapa översvämningstillfällen med dess flöden från S-HYPE och mätningar. I studiens första del hämtades satellitdata från Copernicus från två tidigare översvämningstillfällen för validering av över-svämningsmodelleringen. De tidigare översvämningstillfällena var dels i Emån i Småland år 2012 och dels i Västerdalälven i Dalarna år 2018. Ett index för passning beräknades mellan översvämningskartorna producerade med två respektive fem meters upplösning gentemot satellitbilderna för att kvantifiera överlappande ytor. Därtill beräknades vattendragens lutning för att undersöka om det fanns indikationer på något samband med förändring i index med ökad upplösning på höjdmodellen. Studiens andra del bestod i att undersöka hur höjdmodellens upplösning påverkar vattnets spridning kring översvämningsvallar i modellen. I undersökningen återskapades ett översvämningstillfälle från 2020 i Helige å i Småland. Ett antal delavrinningsområden visade sig instabila för den högre upplösta höjdmodellen och kunde därför endast simuleras med lägre flöden. Erhållna resultat visade dock på att översvämningskarteringen förbättrades med upplösningen två meter vid jämförelse med data från Copernicus. Körtiden ökade dock med över 12 gånger vid simulering av högre upplösning. Vidare visades tröskeleffekter i studiens resultat, då översvämnings-vallen stoppade vattnet i den högre upplösta höjdmodellen men inte i den med lägre upplösning. På grund av stabilitetsproblemet och studiens begränsade omfattning, kunde slutsats inte dras om huruvida SMHI bör implementera en höjdmodell med två meters upplösning i systemet för översvämningsvarningar. Däremot kunde konstateras att stabiliteten i modellen måste öka för att det ska vara möjligt. Slutligen drogs slutsatsen att det förekommer tröskeleffekter mellan de två höjdmodellerna och att prestandan ökar generellt för den högre upplösningen när det kommer till precisionen i översvämningsmodelleringen. / The purpose of this case study was to examine the possibilities and advantages of implementing a DEM with higher resolution in inundation modelling at SMHI, the Swedish Meteorological and Hydrological Institute, which uses the hydraulic model LISFLOOD-FP. The institute issues flood warnings and therefore it is of high importance that the innundation modelling gives adequate results. On the other hand, running the models at a higher spatial resolution takes more time and resources. Therefore, potentially improved modelling results were discussed in a context of prolonged runtime. The case study consisted of two parts where a Digital Elevation Model, DEM of two meter resolution was implemented and compared to the five meter DEM that is currently in use. This was done by recreating previous flooding events by using discharge data from S-HYPE. In the first part, satellite data from Copernicus from two previous flooding events in Sweden were used for model validation in comparison with the results from inundation models of SMHI for the different DEM:s. An index was calculated to quantify the overlapping inundation areas. The events were at the river Emån in 2012 and at Västerdalälven in 2018. Moreover, the slope of the rivers within each study area was calculated to investigate correlation between improved flood modelling results for higher DEM resolution and slope of the rivers. The second part of the study investigated flood embankments for the two different DEM:s around Helige å river. A flooding event which took place in 2020 was recreated and the water flow around the built embankments was compared for the two resolutions.  Running the models, it turned out that simulations of several subcatchment areas were unstable with the two meter DEM, and could only be run with lower flow. The obtained results, however, revealed an improved inundation modelling for the DEM with a resolution of 2 m for all study areas in comparison to the data from Copernicus; however the runtime was increased by over 12 times. Moreover, the results also showed threshold effects, where the flooding was impeded by the flooding embankment with the two meter DEM but not at the lower resolution. Due to the stability issue and the limited scope of this study, it cannot be concluded whether SMHI should implement the two meter DEM in their flood warnings system. However, it was concluded that the stability has to be increased to make it feasible. It was also concluded that there are threshold effects between the two DEM:s and that the performance seems to increase overall for the higher resolution when it comes to precision of the modelling.