The future holds challenges for urban areas when it comes to handling pluvial floodings, occurring when the rainfall intensity exceeds both the man-made and natural infiltration and drainage capacity. To gain understanding of the effects and needed measures, tools for modelling the urban response to events such as cloudbursts are needed. The aim of this project was to build a model using the Spatially Distributed Travel Time (SDTT) approach to model the rainfall-runoff response of an urban watershed. The model was developed in ArcGIS Pro using a built-in module ArcPy allowing for the use of a Python script to ensure fast calculations and simulations on grid cell basis. In total six smaller watersheds within the larger catchment were modelled with a variety in size and degree of urbanisation. Unlike fully distributed models solving for both the continuity equation and momentum equation, the models save time by applying kinematic wave approximation solving the steady state, uniform continuity equation and the Manning’s equation. The study uses only one calibration parameter representing the upstream area contributing to runoff, used for adjusting the travel times to ensure they are not too slow which could generate a delay and underestimation of the peak discharge. The model was parameterized for a cloudburst event that occurred in the city of Gävle, in the year of 2021, and was validated against a fully distributed model (MIKE 21) simulating the same event. The generated response from the SDTT model successfully returns similar hydrographs to that of a fully distributed model in most cases. It performed very well in high urbanised areas with an even spatial distribution of the two land cover classes used, impervious and pervious surfaces, and small volumes of depressions. In areas with lesser degree of urbanisation and larger depression volumes collecting runoff, the simplified model struggled to capture the draining dynamics of these. However, the model managed to match the time to peak reasonably well in the struggling areas as well. To increase the applicability of the model the upstream area contributing to runoff should be based on physical characteristics and not calibration. Further, the model should be applied to other areas preferably using other rainfall event data or design storms, as well as investigate the performance using more than two land cover classes. Finally, a sensitivity analysis could be performed for parameters that were now set to fixed values, done so to reduce the calibration. / Framtiden kommer bjuda på utmaningar för urbana områden när det kommer till hanteringen av pluviala översvämningar, vilka inträffar när nederbördsintensiteten överstiger både den konstgjorda och naturliga infiltrations- och dräneringskapaciteten. För att få ökad förståelse av effekterna samt besluta om nödvändiga åtgärder behövs nya verktyg för att modellera den urbana responsen till följd av extrem nederbörd så som skyfall. Syftet med detta projekt vara att med hjälp av spatialt fördelade rinntider och kinematiska vågmodellen modellera nederbörden och avrinningen i ett urbant avrinningsområde. Modellen utvecklades i ArcGIS Pro med hjälp av den inbyggda modulen ArcPy vilken tillåter användningen av ett Python-skript som ger snabba beräkningar och korta simuleringar applicerade på cellnivå. Totalt modellerades sex mindre avrinningsområden inom det större området, alla med olika storlek och urbaniseringsgrad. Till skillnad från fullt distribuerade modeller som löser både kontinuitetsekvationen och rörelsemängdsekvationen, sparar modellen tid genom att tillämpa kinematisk vågteori, stationära kontinuitetsekvationen samt Mannings ekvation. Studien använder endast en kalibreringsparameter vilken representerar området uppströms om varje cell som bidrar till avrinning nedströms. Denna används för att justera rinntiderna för att säkerställa att modellen inte returnerar för långsamma tider vilket kan generera en fördröjning av responsen och underskattning av maxflödet. Modellen parametriserades för ett skyfall som inträffade i Gävle år 2021, och validerades mot en fullt distribuerad modell (MIKE 21) som simulerade samma händelse. Den modellerade responsen från avrinningsmodellen byggd på spatialt fördelade rinntider kunde framgångsrikt leverera liknande hydrografer som den fullt distribuerade modellen. Modellen presterade framför allt bra i områden med hög urbaniseringsgrad innehavande en jämn spatial fördelning av de två marktäckningsklasserna som användes, nämligen hårdgjorda och icke hårdgjorda ytor, samt små volymer av sänkor i området. I områden med en lägre urbaniseringsgrad och större volymer sänkor vilka fördröjer avrinningen hade modellen svårare att producera liknande hydrografer troligen då den förenklade modellen ej kan fånga dynamiken av att fylla och tömma dessa sänkor. Däremot lyckades den fortfarande att matcha tiden för maxflödet även för dessa områden. För att öka modellens tillämpbarhet bör området uppströms som bidrar till avrinning nedströms baseras på fysikaliska egenskaper och inte kalibrering. Vidare bör modellen tillämpas på andra områden, helst med hjälp av andra nederbördsdata eller designregn, samt undersöka prestandan om mer än två marktäckningsklasser används. Slutligen kan en känslighetsanalys utföras för parametrar som nu satts till fasta värden, detta för att minska kalibreringen.

Pluvial floods are the most difficult and to date least investigated phenomena in urban hydrology. While efforts are being made to increase the knowledge base concerning this type of flooding, a large part of the difficulty lies in the nature of the precipitation. Convective storms represent most of the larger intensity short term rainfall in urban areas and is also the raintype, that is expected to increase the most in the future. The rain cells of this type have a more distinct boundary, larger intensity, a smaller extent and a shorter life span, than frontal rains. Combined with the low availability of densely spaced rain gauge networks and also low temporal resolution of measurements in 15 minutes intervals at best, makes this rain type still very difficult to analyze and even harder to predict. The resolution of cloud radar images at 2x2km and taken every 15 minutes is too coarse and the error reduction algorithms for radar based precipitation (HIPRAD) images to analysera in patterns are not sufficient by them selves to analyze the characteristics of such rainfields and the processes occurring within these fields. The spatial variation of raincells, their development and decay, the distance between them, and the velocity and direction of their movement can however be investigated employing a combination of densely spaced rain gauges and radar images to reach a more realistic representation of short-term precipitation for the use of in hydraulic models. The movement of rain fields has been investigated with two main areas of focus: The influence of direction or directional bias, often with an interest in the most crucial case referred to as the resonance effect, and in context of areal reduction of point rainfall. Most of these studies have been carried out with statistical methods and in laboratory experiments. In this study a hydraulic model was built on the terrain model of a realcity, a 28 km area in the city of Falun, to test the recently gathered information about the temporal variation of five empirical hyetographs with different peak arrival times and peak intensities, which are representative of Swedish climate. The hyetographs were produced and provided by SMHI. The empirical rain types were derived from 20 years of rain gauge observations and confirmed by radar images. For reference purposes, a standard Chicago design storm (CDS) rain was modeled as well. The simulated scenarios were modeled as a MIKE 21 hydraulic model, as a stationary scenario and in four movement directions. It was foundthat the empirical rain types produced lower inundation depth than the CDS, in a range of 20 to 50 % lower. The effect of modeling rainfall in motion produced on average only about 4-20 % lower water depths than the corresponding non-moving scenario. In a few instances, in a single evaluation point, the moving scenarios resulted in a relative water depth of a maximum of just above 1%. It was concluded that the conceptual approach of areal reduction from movement seems to be accurate and could help improve modeling rainfall in general, and specifically for cloud burst scenarios of shorter durations in urban catchments. It was also found that further investigation of the physical processes in rainfields could serve to increase the accuracy in areal reduction of precipitation for more realistic hydraulic models and in turn reduce over design. / Pluviala översvämningar är den typen, som är både svårast att reda ut och samtidigt den minst utforskade fenomenen inom urban hydrologi. Medan ansträngningar görs för att förbättra kunskapsläget, ligger den största svårigheten i nederbördens skepnad. Det är konvektiva regn som utgör de flesta av de starkare korttids regntillfällen i urbana områden och är också regntypen som förväntas att öka mest i framtiden. Regncellerna har en tydligare avgränsning, en större intensitet, mindre utsträckning, och en kortare livscykel än frontala regn. I kombination med den låga tillgängligheten av regnmätarnätverk med hög täthet i positioneringen av mätare, samt den låga tidsupplösningen av mätningar i intervaller av 15 minuter gör att konvektiva regn fortfarande är svåra att analysera och ännu svårare att förutse. Upplösningen av molnradar bilder av 2x2 km som tas varje 15:de minut är för grova och algoritmer för felreducering av bilder från radarbaserad nederbördsdata (HIPRAD) för analys av regn mönster är inte tillräckligt noggranna, för sig, för att kunna analysera egenskaperna av sådana regnfält och de processerna som karakteriserar dessa. Den spatiala variationen inom regnceller, deras utveckling och förfall, avståndet mellan dem samt riktningen och hastigheten kan ändå undersökas med hjälp av kombinationen av regnmätarnätverk och radar bilder för att uppnå mer realistiska korttids nederbördsscenarier för användning i hydrauliska model. Studier, som har undersökt regn i rörelse har varit fokuserade på två huvudområden: Betydelsen av riktningen, i vilken regnet rör sig, där den största effekten som denna riktningsbias kan uppnå, har döpts resonans effekt och i samband med ytreducering (areal reduction) av punkt nederbörd. De flesta av dessa studier har genomförts med hjälp av statistiska metoder och laboratorieexperiment. I denna studie skapades en hydraulisk modell baserad på en realistisk terräng av ett existerade urbant område, en yta på 28 km i Falun, för att testa den nyligen utvärderade informationen om temporala intensitets fördelningen som representerar det svenska klimatet. Regndatat producerades och tillhandahölls av SMHI och representerar en mätserie från regnmätare över en period av 20 år. Som referens modellerades även ett Chicago regn (CDS). Med hjälp av en MIKE21 hydraulisk modell, simulerades ett stationärt scenario och fyra rörelseriktningar för varje empirisk hyetograf. Resultaten visade att de empiriska regntyperna skapade översvämningar med 20-50% lägre vattendjup än CDS regnet. Att modellera rörelsen resulterade i 4-20% lägre vattennivåer jämfört med respektive stationär scenario. I några enstaka tillfällen, i en av evalueringspunkterna, skapade de rörliga scenarierna större resultat, med lite över 1% i det största fallet. Det drogs slutsatsen att konceptet av areal reduction genom molnrörelse verkar vara korrekt och skulle kunna hjälpa att förbättra sättet att modellera regn generellt, men också specifikt för skyfalls scenarier med korta varaktigheter över urbana avrinningsområden. Man kom ytterligare till slutsatsen att framtida studier i samband med de fysiska processerna i regnceller skulle kunna användas för att höja noggrannheten av ytreducering av nederbörd för mer realistiska hydrauliska modeller, som i sin tur kunde minska överdesign.