Urban pluvial floods occur during extreme rain events and both occurrence and magnitude of these floods are expected to increase. Preserving or constructing green areas in urban areas has been shown to mitigate and control these floods. The common way to evaluate flood risks is to set up a rainfall-runoff model, but these studies are often case related and only investigate the soil characteristics for that specific case. Multiple studies have also stated that the difference between major and minor flooding effects is connected to the antecedent soil moisture content. This thesis attempts to investigate how different soil characteristics influencing infiltration affect the hydraulic response in two Swedish urban catchments and if antecedent soil moisture is a critical factor. To evaluate the hydraulic response, a two-dimensional surface runoff model of two different urban catchments was forced with a hyetograph of a CDS-rain with a return period of 100 years. The simulations were conducted with three different soil types for all urban green areas: clay, sandy loam and sand, and three different antecedent soil moisture contents for clay and sandy loam. Flood extent and discharge from catchment area was evaluated, as was flood depth and overland flow in 16 chosen evaluation points. The results showed that with decreasing infiltration rate of a soil and with increasing antecedent soil moisture content, the severity of the flood and discharge at the catchment outlet was increased. It was also concluded that soil type affects flood extent, flood depth, overland flow and discharge from catchment to a greater extent than antecedent soil moisture.

Pluvial floods are formed directly from surface runoff after extreme rain events. Urban areas are prone to suffer from these floods due to large portions of hardened surfaces and limited capacity in the stormwater infrastructure. Previous research has shown that catchment response is influenced by the spatio-temporal behaviour of the rainstorm. A rainstorm moving in the same direction as the surface flow can amplify the runoff peak and temporal variability of rainfall intensity generally results in greater peak discharge compared to constant rainfall. This research attempted to relate the effect of storm movement on flood propagation in urban pluvial flooding to the effect from different distributions of rainfall intensity. An additional objective was to investigate the flood response from recent findings on the temporal variability in Swedish rain events and compare it to the flood depths produced by a CDS-rain (Chicago Design Storm), where the latter is the design practice in flood modelling today. A 2D surface model of an urban catchment was coupled with a 1D model of the drainage network and forced by six different hyetographs. Among them were five empirical hyetographs developed by Olsson et al. (2017) and one a CDS-rain. The rainstorms were simulated to move in different directions: along and against the surface flow direction, perpendicular to it and with no movement. Maximum flood depth was evaluated at ten locations and the model results show that storm movement had negligible effect on the flood depths. The impact from the movement was likely limited by the big difference in speed between the rainstorm and the surface flow. All evaluated locations showed a considerable sensitivity to changes in the hyetograph. The maximum flood depth increased at most with a factor of 1.9 depending on the hyetograph that was used as model input. The CDS-rain produced higher flood depths compared to the empirical hyetographs, although one of the empirical hyetographs produced a similar result. Based on the results from this case study, it was concluded that storm movement was not as critical as the temporal variability of rainfall when evaluating maximum flood depth. / Pluviala översvämningar skapas från ytavrinning vid intensiva nederbördstillfällen. De uppstår ofta i urbana miljöer till följd av den höga andelen hårdgjorda ytor och ledningsnätets begränsade kapacitet. Forskning har visat att ett regnmolns rörelseriktning och hastighet påverkar avrinningsförloppet. Om molnet rör sig längs med flödesriktningen i terrängen kan en ökning i vattenlödet nedströms ett avrinningsområde uppstå. Denna effekt har visat sig vara störst om hastigheten hos regnmolnet och vattenflödet är likvärdiga. Ytterliggare en faktor som påverkar avrinningsförloppet är hur regnintensiteten är fördelad över tid. Olsson et al. (2017) har tagit fram fem empiriska regntyper som speglar tidsfördelning inom ett Svenskt regntillfälle. Inom översvämningsmodellering är det vanligt att använda ett så kallat CDS-regn (Chicago Design Storm), vilken har en given tidsfördelning. Med anledning av detta är det intressant att jämföra översvämningar genererade av ett CDS-regn och av de empiriska regntyperna. Syftet med denna studie var att utreda hur regnmolns rörelse påverkar urbana pluviala översvämningar med avseende på vattendjup, samt att jämföra denna påverkan med effekten från olika tidsfördelningar av regnintensiteter. En kombinerad dagvattenmodell (1D) och markavrinningsmodell (2D) av en mindre svensk tätort användes för att simulera olika regnscenarier. De fem empiriska regntyperna och ett CDS-regn simulerades med en rörelseriktning längs med, emot och vinkelrätt i förhållande till flödesriktningen. Även scenarier med stationära regnmoln simulerades. Maximala översvämningsdjup utvärderades i tio punkter spridda över hela modellområdet. Resultatet från simuleringarna visade att regnmolnets rörelse hade försumbar påverkan på översvämningsdjupen. De olika tidsfördelningarna av regnintensitet hade däremot betydande påverkan på de maximala översvämningsdjupen. Som mest var det det maximala översvämningsdjupet 1.9 gånger större beroende vilken regntyp som användes som indata. CDS-regnet genererade i regel de största översvämningsdjupen, även om utfallet från en av de fem empiriska regntyperna var förhållandevis likvärdigt. Regnintensitetens tidsfördelning var därmed en kritisk parameter vid den hydrauliska modelleringen av urbana pluviala översävmningar, till skillnad från molnrörelse som hade försumbar påverkan.

Prior to using hydraulic and spatially distributed modelling softwares, the theory of the unit hydrograph was a commonly used tool for modelling of surface and runoff water. While distributed models often provide detailed results from extensive calculation durations, the unit hydrograph have been questioned for simplifying the physical characteristics of the watershed modelled. Typically, the unit hydrograph theory does not explicitly take the flow paths of the watershed in consideration during calculation. With the rise of geographical information systems, methods of deriving spatially distributed unit hydrographs have been developed. The aim of these have commonly been to find a spatially varied form of hydrological modelling, while still keeping the computation times low. The method is commonly built by calculating the travel time to the watershed outlet along the flow path. In this study, spatially distributed unit hydrographs are derived separately for the watershed’s pervious and impervious surfaces in a Python script using map algebra and the Esri’s Python wrapper module Arcpy. The travel times are generated from a velocity field calculated using Maidment and Olivera’s velocity equation. The velocity equation contains three unknown parameters; one for an average velocity and two calibration parameters. The excess precipitation is calculated of a 100 year return period Chicago Design Storm hyetograph using the SCS-CN method. The direct runoff hydrographs are calculated over three semi-urban watersheds in Smedby in southern Sweden, and the results are compared to MIKE 21 hydrograph data of each corresponding watershed and rain input. The result obtained showed to replicate the hydrograph response quite well, but only if the unknown parameters in the velocity equation were calibrated to match the MIKE 21 data. The unknown parameters of the velocity equations produces uncertainties of using the method without calibration data, which implies that the script is not well adapted to use for modelling predictions. It may be of interest to calculate the travel times of the locations within the watershed using a different formula. The script tool could be tested using different design storms as input, and areas of different characteristics compared to Smedby could be tested. / Innan det blev vanligt att använda hydrauliska och rumsliga modellerings- mjukvaror användes ofta teorin bakom enhetshydrografen för modellering av avrinning. Medan de rumsliga mjukvarorna ofta erbjuder detaljerade resultat till priset av långa beräkningstider, har enhetshydrografen ifrågasatts för att förenkla den fysiska karaktären av avrinningsområdet. Typiskt sett tar inte enhetshydrografen avrinningsområdets flödesvägar direkt i hänseende vid beräkning. Utveckling och ökad tillgänglighet av geografiska informations- system förenklade möjligheterna att utveckla beräkning av enhetshydrografer som tar hänsyn till avrinningsområdets karaktär, typiskt sett genom att beräkna rinntiden från varje läge i avrinningsområdet, längs rinnvägarna och till utloppet. I den här studien beräknas spatiala enhetshydrografer separat för avrinningsområdets hårdgjorda och icke hårdgjorda ytor, genom att utveckla ett Python skript med hjälp av karalgebra och Esri’s wrapper modul ArcPy. Rinntiderna från olika lägen i avrinningsområdet beräknas med Maidments och Oliveras formel för hastighet, vilken innehåller okända parametrar för en uppskattad medelhastighet samt två kalibreringsparametrar. Effektivt regn från ett Chicago Design Storm regn med en återkomsttid på 100 år beräknas med hjälp av SCS-CN metoden. Hydrograferna för direkt avrinning faltas för tre semi-urbana avrinningsområden i Smedby i södra Sverige för att sedan jämföras mot MIKE 21 genererad hydrograf data för respektive motsvarade avrinningsområde. Hydrografdata producerat av MIKE 21 har tagits fram med lika CDS-regn data som input. Resultatet visar att hydrografer snarlika MIKE 21 hydrograferna kan tas fram med Maidments spatialt fördelade enhetshydrograf, om de okända parametrarna i Maidments formel kalibrerades mot MIKE 21 data. Utan kalibreringsdata för att bestämma de okända parametrarna kan resultatet anses vara mycket osäkert, vilket antyder att Python skriptet ej bör användas för använda metoden för att förutspå responser av regnevent. Andra beräkningar än Maidments ekvation kan vara av intresse att implementera. Olika typer av regninput samt spatial data över andra platser än Smedby kan vara av intresse att testa Python skriptet för.

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.

further development of the simple and promising analytical probabilistic approach / Urban stormwater management aims at mitigating the adverse impacts of urbanization. Hydrological models are used in support of stormwater management planning and design. There are three main approaches that can be applied for this modeling purpose: (1) continuous simulation approach which is accurate but time-consuming; (2) design storm approach, which is widely used and its accuracy highly depends on the selected antecedent moisture conditions and temporal distribution of design storms; and (3) the analytical probabilistic approach which is recently developed and still not used in practice. Although it is time-effective and it can produce results as accurate as the other two approaches; the analytical probabilistic approach requires further developments in order to make it more reliable and accurate. For this purpose, three subtopics are investigated in this thesis. (1) Rainfall data analysis as required by the analytical probabilistic approach with emphasis on testing the exponentiality of rainfall event duration, volume and interevent time (i.e., time separating it from its preceding rainfall event). A goodness-of-fit testing procedure that is suitable for this kind of data analysis was proposed. (2) Derivation of new analytical probabilistic models for peak discharge rate incorporating trapezoidal and triangular hydrograph shapes in order to include all possible catchment’s responses. And (3) the infiltration process is assumed to continue until the end of the rainfall event; however, the soil may get saturated earlier and the excess amount would contribute to the runoff volume which may have adverse impact if not taken into consideration. Thus, in addition to the infiltration process, the saturation excess runoff is also included and new models for flood frequencies are developed. All the models developed in this thesis are tested and compared to methods used in practice, reasonable results were obtained. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Urban stormwater management aims at mitigating the adverse impacts of urbanization. Hydrological models are used in support of stormwater management planning and design. The analytical probabilistic stormwater management model (APSWM) is a promising tool for planning and design analysis. The purpose of this thesis is to further develop APSWM in order to make it more reliable and accurate. First, a clear procedure for rainfall data analysis as required by APSWM is provided. Second, a new APSWM is derived incorporating other runoff temporal-distribution patterns. Finally, the possibility of soil layer saturation while it is still raining is added to the model. All the models developed in this thesis are tested and compared to methods used in engineering practice, reasonable results were obtained.

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.